Identification of C(4)-dicarboxylate transport systems in Pseudomonas aeruginosa PAO1.

Pseudomonas aeruginosa utilizes preferentially C(4)-dicarboxylates such as malate, fumarate, and succinate as carbon and energy sources. We have identified and characterized two C(4)-dicarboxylate transport (Dct) systems in P. aeruginosa PAO1. Inactivation of the dctA(PA1183) gene caused a growth defect of the strain in minimal media supplemented with succinate, fumarate or malate, indicating that DctA has a major role in Dct. However, residual growth of the dctA mutant in these media suggested the presence of additional C(4)-dicarboxylate transporter(s). Tn5 insertion mutagenesis of the ΔdctA mutant led to the identification of a second Dct system, i.e., the DctPQM transporter belonging to the tripartite ATP-independent periplasmic (TRAP) family of carriers. The ΔdctA ΔdctPQM double mutant showed no growth on malate and fumarate and residual growth on succinate, suggesting that DctA and DctPQM are the only malate and fumarate transporters, whereas additional transporters for succinate are present. Using lacZ reporter fusions, we showed that the expression of the dctA gene and the dctPQM operon was enhanced in early exponential growth phase and induced by C(4)-dicarboxylates. Competition experiments demonstrated that the DctPQM carrier was more efficient than the DctA carrier for the utilization of succinate at micromolar concentrations, whereas DctA was the major transporter at millimolar concentrations. To conclude, this is the first time that the high- and low-affinity uptake systems for succinate DctA and DctPQM have been reported to function coordinately to transport C(4)-dicarboxylates and that the alternative sigma factor RpoN and a DctB/DctD two-component system regulates simultaneously the dctA gene and the dctPQM operon.

Aldosterone paradox: differential regulation of ion transport in distal nephron.

The mechanisms through which aldosterone promotes apparently opposite effects like salt reabsorption and K(+) secretion remain poorly understood. The identification, localization, and physiological analysis of ion transport systems in distal nephron have revealed an intricate network of interactions between several players, revealing the complex mechanism behind the aldosterone paradox. We review the mechanisms involved in differential regulation of ion transport that allow the fine tuning of salt and K(+) balance.

Shaping fission yeast cells by rerouting actin-based transport on microtubules.

Kinesins and myosins transport cargos to specific locations along microtubules and actin filaments, respectively. The relative contribution of the two transport systems for cell polarization varies extensively in different cell types, with some cells relying exclusively on actin-based transport while others mainly use microtubules. Using fission yeast, we asked whether one transport system can substitute for the other. In this organism, microtubules and actin cables both contribute to polarized growth by transporting cargos to cell poles, but with distinct roles: microtubules transport landmarks to label cell poles for growth and actin assembly but do not directly contribute to the growth process [1]. Actin cables serve as tracks for myosin V delivery of growth vesicles to cell poles [2-4]. We engineered a chimera between the motor domain of the kinesin 7 Tea2 and the globular tail of the myosin V Myo52, which we show transports Ypt3, a myosin cargo receptor, to cell poles along microtubules. Remarkably, this chimera restores polarized growth and viability to cells lacking actin cables. It also bypasses the normal microtubule-dependent marking of cell poles for polarized growth, but not for other functions. Thus, a synthetic motor protein successfully redirects cargos along a distinct cytoskeletal route.

Importance of ENaC-mediated sodium transport in alveolar fluid clearance using genetically-engineered mice.

The lung possesses specific transport systems that intra- and extracellularly maintain salt and fluid balance necessary for its function. At birth, the lungs rapidly transform into a fluid (Na(+))-absorbing organ to enable efficient gas exchange. Alveolar fluid clearance, which mainly depends on sodium transport in alveolar epithelial cells, is an important mechanism by which excess water in the alveoli is reabsorbed during the resolution of pulmonary edema. In this review, we will focus and summarize on the role of ENaC in alveolar lung liquid clearance and discuss recent data from mouse models with altered activity of epithelial sodium channel function in the lung, and more specifically in alveolar fluid clearance. Recent data studying mice with hyperactivity of ENaC or mice with reduced ENaC activity clearly illustrate the impaired lung fluid clearance in these adult mice. Further understanding of the physiological role of ENaC and its regulatory proteins implicated in salt and water balance in the alveolar cells may therefore help to develop new therapeutic strategies to improve gas exchange in pulmonary edema.

Imatinib plasma concentrations variability in oncologic patients

The anticancer drug imatinib has transformed the treatment and prognosis of chronic myeloid leukemia and gastrointestinal stromal tumor. However, the treatment must be taken indefinitely and is not devoid of inconveniences and toxicity. Moreover, resistance or escape from disease control are occurring. Considering the large interindividual differences in the function of the enzymatic and transport systems involved in imatinib disposition, exposure to this drug can be expected to vary widely among patients. This book describes an observational clinical trial aiming at exploring the influence of these covariates on imatinib pharmacokinetics and assessing the interindividual variability of the pharmacokinetic parameters of the drug. A large interindividual variability was observed, together with some preliminary concentration-effect relationships. These elements are arguments to further investigate the potential benefit of a therapeutic drug monitoring program to optimize the use of imatinib in patients. Such results should be especially useful to clinical oncologists or scientists involved in clinical oncology research.

Transgenic mice and their impact on kidney research.

The kidney is a key organ in the maintenance of ion and fluid homeostasis and specific transport systems localized along the nephron guarantee this function. Due to its large functional heterogeneity, experiments on the whole organ level cannot be easily performed, and thus more refined tools are needed, like for example the development of specific recombination systems to gain knowledge on the physiological role of single proteins implicated in ion transport. This review introduces the transgenic technology developed over the past decades, and then focuses on recent strategies for generating kidney-specific gene targeting, over-expression, and gene ablation in mice, that will help to understand the physiological role of proteins implicated in salt and water balance in the kidney.

The CbrA-CbrB two-component regulatory system controls the utilization of multiple carbon and nitrogen sources in Pseudomonas aeruginosa.

A novel two-component system, CbrA-CbrB, was discovered in Pseudomonas aeruginosa; cbrA and cbrB mutants of strain PAO were found to be unable to use several amino acids (such as arginine, histidine and proline), polyamines and agmatine as sole carbon and nitrogen sources. These mutants were also unable to use, or used poorly, many other carbon sources, including mannitol, glucose, pyruvate and citrate. A 7 kb EcoRI fragment carrying the cbrA and cbrB genes was cloned and sequenced. The cbrA and cbrB genes encode a sensor/histidine kinase (Mr 108 379, 983 residues) and a cognate response regulator (Mr 52 254, 478 residues) respectively. The amino-terminal half (490 residues) of CbrA appears to be a sensor membrane domain, as predicted by 12 possible transmembrane helices, whereas the carboxy-terminal part shares homology with the histidine kinases of the NtrB family. The CbrB response regulator shows similarity to the NtrC family members. Complementation and primer extension experiments indicated that cbrA and cbrB are transcribed from separate promoters. In cbrA or cbrB mutants, as well as in the allelic argR9901 and argR9902 mutants, the aot-argR operon was not induced by arginine, indicating an essential role for this two-component system in the expression of the ArgR-dependent catabolic pathways, including the aruCFGDB operon specifying the major aerobic arginine catabolic pathway. The histidine catabolic enzyme histidase was not expressed in cbrAB mutants, even in the presence of histidine. In contrast, proline dehydrogenase, responsible for proline utilization (Pru), was expressed in a cbrB mutant at a level comparable with that of the wild-type strain. When succinate or other C4-dicarboxylates were added to proline medium at 1 mM, the cbrB mutant was restored to a Pru+ phenotype. Such a succinate-dependent Pru+ property was almost abolished by 20 mM ammonia. In conclusion, the CbrA-CbrB system controls the expression of several catabolic pathways and, perhaps together with the NtrB-NtrC system, appears to ensure the intracellular carbon: nitrogen balance in P. aeruginosa.

Anaerobically controlled expression system derived from the arcDABC operon of Pseudomonas aeruginosa: application to lipase production.

The anaerobically inducible arcDABC operon encodes the enzymes of the arginine deiminase pathway in Pseudomonas aeruginosa. Upon induction, the arcAB mRNAs and proteins reach high intracellular levels, because of a strong anaerobically controlled promoter and mRNA processing in arcD, leading to stable downstream transcripts. We explored the usefulness of this system for the construction of expression vectors. The lacZ gene of Escherichia coli was expressed to the highest levels when fused close to the arc promoter. Insertion of lacZ further downstream into arcA or arcB did not stabilize the intrinsically unstable lacZ mRNA. On the contrary, lacZ mRNA appeared to be a vulnerable endonuclease target destabilizing arcAB mRNAs in the 5'-to-3' direction in P. aeruginosa. The native arc promoter was modified for optional expression in the -10 sequence and in the -40 region, which is a binding site for the anaerobic regulator ANR. In P. aeruginosa grown either anaerobically or with oxygen limitation in unshaken cultures, this promoter was stronger than the induced tac promoter. The P. aeruginosa lipAH genes, which encode extracellular lipase and lipase foldase, respectively, were fused directly to the modified arc promoter in an IncQ vector plasmid. Semianaerobic static cultures of P. aeruginosa PAO1 carrying this recombinant plasmid overproduced extracellular lipase 30-fold during stationary phase compared with the production by strain PAO1 without the plasmid. Severe oxygen limitation, in contrast, resulted in poor lipase productivity despite effective induction of the ANR-dependent promoter, suggesting that secretion of active lipase is blocked by the absence of oxygen. In conclusion, the modified arc promoter is useful for driving the expression of cloned genes in P. aeruginosa during oxygen-limited growth and stationary phase.

The ArgR regulatory protein, a helper to the anaerobic regulator ANR during transcriptional activation of the arcD promoter in Pseudomonas aeruginosa.

Pseudomonas aeruginosa, when deprived of oxygen, generates ATP from arginine catabolism by enzymes of the arginine deiminase pathway, encoded by the arcDABC operon. Under conditions of low oxygen tension, the transcriptional activator ANR binds to a site centered 41.5 bp upstream of the arcD transcriptional start. ANR-mediated anaerobic induction was enhanced two- to threefold by extracellular arginine. This arginine effect depended, in trans, on the transcriptional regulator ArgR and, in cis, on an ArgR binding site centered at -73.5 bp in the arcD promoter. Binding of purified ArgR protein to this site was demonstrated by electrophoretic mobility shift assays and DNase I footprinting. This ArgR recognition site contained a sequence, 5'-TGACGC-3', which deviated in only 1 base from the common sequence motif 5'-TGTCGC-3' found in other ArgR binding sites of P. aeruginosa. Furthermore, an alignment of all known ArgR binding sites confirmed that they consist of two directly repeated half-sites. In the absence of ANR, arginine did not induce the arc operon, suggesting that ArgR alone does not activate the arcD promoter. According to a model proposed, ArgR makes physical contact with ANR and thereby facilitates initiation of arc transcription.

T cell receptor delta gene rearrangement and T early alpha (TEA) expression in immature alpha beta lineage thymocytes: implications for alpha beta/gamma delta lineage commitment.

Mature T cells comprise two mutually exclusive lineages expressing heterodimeric alpha beta or gamma delta antigen receptors. During development, beta, gamma, and delta genes rearrange before alpha, and mature gamma delta cells arise in the thymus prior to alpha beta cells. The mechanism underlying commitment of immature T cells to the alpha beta or gamma delta lineage is controversial. Since the delta locus is located within the alpha locus, rearrangement of alpha genes leads to deletion of delta. We have examined the rearrangement status of the delta locus immediately prior to alpha rearrangement. We find that many thymic precursors of alpha beta cells undergo VDJ delta rearrangements. Furthermore, the same cells frequently coexpress sterile T early alpha (TEA) transcripts originating 3' of C delta and 5' of the most upstream J alpha, thus implying that individual alpha beta lineage cells undergo sequential VDJ delta and VJ alpha rearrangements. Finally, VDJ delta rearrangements in immature alpha beta cells appear to be random, supporting models in which alpha beta lineage commitment is determined independently of the rearrangement status at the TCR delta locus.

Imatinib plasma concentrations variability in hemato-oncologic patients

Abstract Imatinib (Glivec~ has transformed the treatment and prognosis of chronic myeloid leukaemia (CML) and of gastrointestinal stromal tumor (GIST). However, the treatment must be taken indefinitely and is not devoid of inconvenience and toxicity. Moreover, resistance or escape from disease control occurs. Considering the large interindividual differences in the function of the enzymatic and transport systems involved in imatinib disposition, exposure to this drug can be expected to vary widely among patients. Among those known systems is a cytochrome P450 (CYI'3A4) that metabolizes imatinib, the multidrug transporter P-glycoprotein (P-gp; product of the MDR1 gene) that expels imatinib out of cells, and al-acid glycoprotein (AGP), a circulating protein binding imatinib in the plasma. The aim of this observational study was to explore the influence of these covariates on imatinib pharmacokinetics (PK), to assess the interindividual variability of the PK parameters of the drug, and to evaluate whether imatinib use would benefit from a therapeutic drug monitoring (TDM) program. A total of 321 plasma concentrations were measured in 59 patients receiving imatinib, using a validated chromatographic method developed for this study (HPLC-LTV). The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A one-compartment pharmacokinetic model with first-order absorption appropriately described the data, and a large interindividual variability was observed. The MDK> polymorphism 3435C>T and the CYP3A4 activity appeared to modulate the disposition of imatinib, albeit not significantly. A hyperbolic relationship between plasma AGP levels and oral clearance, as well as volume of distribution, was observed. A mechanistic approach was built up, postulating that only the unbound imatinib concentration was able to undergo first-order elimination. This approach allowed determining an average free clearance (CL,~ of 13101/h and a volume of distribution (Vd) of 301 1. By comparison, the total clearance determined was 141/h (i.e. 233 ml/min). Free clearance was affected by body weight and pathology diagnosis. The estimated variability of imatinib disposition (17% for CLu and 66% for Vd) decreased globally about one half with the model incorporating the AGP impact. Moreover, some associations were observed between PK parameters of the free imatinib concentration and its efficacy and toxicity. Finally, the functional influence of P-gp activity has been demonstrated in vitro in cell cultures. These elements are arguments to further investigate the possible usefulness of a TDM program for imatinib. It may help in individualizing the dosing regimen before overt disease progression or development of treatment toxicity, thus improving both the long-term therapeutic effectiveness and tolerability of this drug. Résumé L'imatinib (Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de la leucémie myéloïde chronique (LMC) et des tumeurs stromales d'origine digestive (GIST). Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. Par ailleurs, une résistance, ou des échappements au traitement, sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans l'organisme dépend de systèmes enzymatiques et de transport connus pour présenter de grandes différences interindividuelles, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, on note un cytochrome P450 (le CYP3A4) métabolisant l'imatinib, la P-glycoprotéine (P-gp ;codée par le gène MDR1), un transporteur d'efflux expulsant le médicament hors des cellules, et l'atglycoprotéine acide (AAG), une protéine circulante sur laquelle se fixe l'imatinib dans le plasma. L'objectif de la présente étude clinique a été de déterminer l'influence de ces covariats sur la pharmacocinétique (PK) de l'imatinib, d'établir la variabilité interindividuelle des paramètres PK du médicament, et d'évaluer dans quelle mesure l'imatinib pouvait bénéficier d'un programme de suivi thérapeutique (TDM). En utilisant une méthode chromatographique développée et validée à cet effet (HPLC-UV), un total de 321 concentrations plasmatiques a été dosé chez 59 patients recevant de l'imatinib. Les résultats ont été analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle pharmacocinétique à un compartiment avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données, et une grande variabilité interindividuelle a été observée. Le polymorphisme du gène MDK1 3435C>T et l'activité du CYP3A4 ont montré une influence, toutefois non significative, sur le devenir de l'imatinib. Une relation hyperbolique entre les taux plasmatiques d'AAG et la clairance, comme le volume de distribution, a été observée. Une approche mécanistique a donc été élaborée, postulant que seule la concentration libre subissait une élimination du premier ordre. Cette approche a permis de déterminer une clairance libre moyenne (CLlibre) de 13101/h et un volume de distribution (Vd) de 301 l. Par comparaison, la clairance totale était de 141/h (c.à.d. 233 ml/min). La CLlibre est affectée par le poids corporel et le type de pathologie. La variabilité interindividuelle estimée pour le devenir de l'imatinib (17% sur CLlibre et 66% sur Vd) diminuait globalement de moitié avec le modèle incorporant l'impact de l'AAG. De plus, une certaine association entre les paramètres PK de la concentration d'imatinib libre et l'efficacité et la toxicité a été observée. Finalement, l'influence fonctionnelle de l'activité de la P-gp a été démontrée in nitro dans des cultures cellulaires. Ces divers éléments constituent des arguments pour étudier davantage l'utilité potentielle d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Un tel suivi pourrait aider à l'individualisation des régimes posologiques avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant tant l'efficacité que la tolérabilité de ce médicament. Résumé large public L'imatinib (un médicament commercialisé sous le nom de Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de deux types de cancers, l'un d'origine sanguine (leucémie) et l'autre d'origine digestive. Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. De plus, des résistances ou des échappements au traitement sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline appelée pharmacocinétique) dépend de systèmes connus pour présenter de grandes différences entre les individus, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, l'un est responsable de la dégradation du médicament dans le foie (métabolisme), l'autre de l'expulsion du médicament hors des cellules cibles, alors que le dernier consiste en une protéine (dénommée AAG) qui transporte l'imatinib dans le sang. L'objectif de notre étude a été de déterminer l'influence de ces différents systèmes sur le comportement pharmacocinétique de l'imatinib chez les patients, et d'étudier dans quelle mesure le devenir de ce médicament dans l'organisme variait d'un patient à l'autre. Enfin, cette étude avait pour but d'évaluer à quel point la surveillance des concentrations d'imatinib présentes dans le sang pourrait améliorer le traitement des patients cancéreux. Une telle surveillance permet en fait de connaître l'exposition effective de l'organisme au médicament (concept abrégé par le terme anglais TDM, pour Therapeutic Drag Monitoring. Ce projet de recherche a d'abord nécessité la mise au point d'une méthode d'analyse pour la mesure des quantités (ou concentrations) d'imatinib présentes dans le sang. Cela nous a permis d'effectuer régulièrement des mesures chez 59 patients. Il nous a ainsi été possible de décrire le devenir du médicament dans le corps à l'aide de modèles mathématiques. Nous avons notamment pu déterminer chez ces patients la vitesse à laquelle l'imatinib est éliminé du sang et l'étendue de sa distribution dans l'organisme. Nous avons également observé chez les patients que les concentrations sanguines d'imatinib étaient très variables d'un individu à l'autre pour une même dose de médicament ingérée. Nous avons pu aussi mettre en évidence que les concentrations de la protéine AAG, sur laquelle l'imatinib se lie dans le sang, avait une grande influence sur la vitesse à laquelle le médicament est éliminé de l'organisme. Ensuite, en tenant compte des concentrations sanguines d'imatinib et de cette protéine, nous avons également pu calculer les quantités de médicament non liées à cette protéine (= libres), qui sont seules susceptibles d'avoir une activité anticancéreuse. Enfin, il a été possible d'établir qu'il existait une certaine relation entre ces concentrations, l'effet thérapeutique et la toxicité du traitement. Tous ces éléments constituent des arguments pour approfondir encore l'étude de l'utilité d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Comme chaque patient est différent, un tel suivi pourrait aider à l'ajustement des doses du médicament avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant ainsi tant son efficacité que son innocuité.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

Analyse de réseau piéton et gestion scolaire: sinuosité, centricité et transport optimal régularisé

Que ce soit d'un point de vue, urbanistique, social, ou encore de la gouvernance, l'évolution des villes est un défi majeur de nos sociétés contemporaines. En offrant la possibilité d'analyser des configurations spatiales et sociales existantes ou en tentant de simuler celles à venir, les systèmes d'information géographique sont devenus incontournables dans la gestion et dans la planification urbaine. En cinq ans la population de la ville de Lausanne est passée de 134'700 à 140'570 habitants, alors que les effectifs de l'école publique ont crû de 12'200 à 13'500 élèves. Cet accroissement démographique associé à un vaste processus d'harmonisation de la scolarité obligatoire en Suisse ont amené le Service des écoles à mettre en place et à développer en collaboration avec l'université de Lausanne des solutions SIG à même de répondre à différentes problématiques spatiales. Établies en 1989, les limites des établissements scolaires (bassins de recrutement) ont dû être redéfinies afin de les réadapter aux réalités d'un paysage urbain et politique en pleine mutation. Dans un contexte de mobilité et de durabilité, un système d'attribution de subventions pour les transports publics basé sur la distance domicile-école et sur l'âge des écoliers, a été conçu. La réalisation de ces projets a nécessité la construction de bases de données géographiques ainsi que l'élaboration de nouvelles méthodes d'analyses exposées dans ce travail. Cette thèse s'est ainsi faite selon une dialectique permanente entre recherches théoriques et nécessités pratiques. La première partie de ce travail porte sur l'analyse du réseau piéton de la ville. La morphologie du réseau est investiguée au travers d'approches multi-échelles du concept de centralité. La première conception, nommée sinuo-centralité ("straightness centrality"), stipule qu'être central c'est être relié aux autres en ligne droite. La deuxième, sans doute plus intuitive, est intitulée centricité ("closeness centrality") et exprime le fait qu'être central c'est être proche des autres (fig. 1, II). Les méthodes développées ont pour but d'évaluer la connectivité et la marchabilité du réseau, tout en suggérant de possibles améliorations (création de raccourcis piétons). Le troisième et dernier volet théorique expose et développe un algorithme de transport optimal régularisé. En minimisant la distance domicile-école et en respectant la taille des écoles, l'algorithme permet de réaliser des scénarios d'enclassement. L'implémentation des multiplicateurs de Lagrange offre une visualisation du "coût spatial" des infrastructures scolaires et des lieux de résidence des écoliers. La deuxième partie de cette thèse retrace les aspects principaux de trois projets réalisés dans le cadre de la gestion scolaire. À savoir : la conception d'un système d'attribution de subventions pour les transports publics, la redéfinition de la carte scolaire, ou encore la simulation des flux d'élèves se rendant à l'école à pied. *** May it be from an urbanistic, a social or from a governance point of view, the evolution of cities is a major challenge in our contemporary societies. By giving the opportunity to analyse spatial and social configurations or attempting to simulate future ones, geographic information systems cannot be overlooked in urban planning and management. In five years, the population of the city of Lausanne has grown from 134'700 to 140'570 inhabitants while the numbers in public schools have increased from 12'200 to 13'500 students. Associated to a considerable harmonisation process of compulsory schooling in Switzerland, this demographic rise has driven schooling services, in collaboration with the University of Lausanne, to set up and develop GIS capable of tackling various spatial issues. Established in 1989, the school districts had to be altered so that they might fit the reality of a continuously changing urban and political landscape. In a context of mobility and durability, an attribution system for public transport subventions based on the distance between residence and school and on the age of the students was designed. The implementation of these projects required the built of geographical databases as well as the elaboration of new analysis methods exposed in this thesis. The first part of this work focuses on the analysis of the city's pedestrian network. Its morphology is investigated through multi-scale approaches of the concept of centrality. The first conception, named the straightness centrality, stipulates that being central is being connected to the others in a straight line. The second, undoubtedly more intuitive, is called closeness centrality and expresses the fact that being central is being close to the others. The goal of the methods developed is to evaluate the connectivity and walkability of the network along with suggesting possible improvements (creation of pedestrian shortcuts).The third and final theoretical section exposes and develops an algorithm of regularised optimal transport. By minimising home to school distances and by respecting school capacity, the algorithm enables the production of student allocation scheme. The implementation of the Lagrange multipliers offers a visualisation of the spatial cost associated to the schooling infrastructures and to the student home locations. The second part of this thesis recounts the principal aspects of three projects fulfilled in the context of school management. It focuses namely on the built of an attribution system for public transport subventions, a school redistricting process and on simulating student pedestrian flows.