Development of a novel headspace sorptive extraction method to study the aging of volatile compounds in spent handgun cartridges

Estimating the time since the last discharge of firearms and/or spent cartridges may be a useful piece of information in forensic firearm-related cases. The current approach consists of studying the diffusion of selected volatile organic compounds (such as naphthalene) released during the shooting using solid phase micro-extraction (SPME). However, this technique works poorly on handgun car-tridges because the extracted quantities quickly fall below the limit of detection. In order to find more effective solutions and further investigate the aging of organic gunshot residue after the discharge of handgun cartridges, an extensive study was carried out in this work using a novel approach based on high capacity headspace sorptive extraction (HSSE). By adopting this technique, for the first time 51 gunshot residue (GSR) volatile organic compounds could be simultaneously detected from fired handgun cartridge cases. Application to aged specimens showed that many of those compounds presented significant and complementary aging profiles. Compound-to-compound ratios were also tested and proved to be beneficial both in reducing the variability of the aging curves and in enlarging the time window useful in a forensic casework perspective. The obtained results were thus particularly promising for the development of a new complete forensic dating methodology.

Occupational respiratory exposures to irritating and sensitizing volatile compounds deriving from cleaning products

Recent findings suggest an association between exposure to cleaning products and respiratory dysfunctions including asthma. However, little information is available about quantitative airborne exposures of professional cleaners to volatile organic compounds deriving from cleaning products. During the first phases of the study, a systematic review of cleaning products was performed. Safety data sheets were reviewed to assess the most frequently added volatile organic compounds. It was found that professional cleaning products are complex mixtures of different components (compounds in cleaning products: 3.5 ± 2.8), and more than 130 chemical substances listed in the safety data sheets were identified in 105 products. The main groups of chemicals were fragrances, glycol ethers, surfactants, solvents; and to a lesser extent phosphates, salts, detergents, pH-stabilizers, acids, and bases. Up to 75% of products contained irritant (Xi), 64% harmful (Xn) and 28% corrosive (C) labeled substances. Hazards for eyes (59%), skin (50%) and by ingestion (60%) were the most reported. Monoethanolamine, a strong irritant and known to be involved in sensitizing mechanisms as well as allergic reactions, is frequently added to cleaning products. Monoethanolamine determination in air has traditionally been difficult and air sampling and analysis methods available were little adapted for personal occupational air concentration assessments. A convenient method was developed with air sampling on impregnated glass fiber filters followed by one step desorption, gas chromatography and nitrogen phosphorous selective detection. An exposure assessment was conducted in the cleaning sector, to determine airborne concentrations of monoethanolamine, glycol ethers, and benzyl alcohol during different cleaning tasks performed by professional cleaning workers in different companies, and to determine background air concentrations of formaldehyde, a known indoor air contaminant. The occupational exposure study was carried out in 12 cleaning companies, and personal air samples were collected for monoethanolamine (n=68), glycol ethers (n=79), benzyl alcohol (n=15) and formaldehyde (n=45). All but ethylene glycol mono-n-butyl ether air concentrations measured were far below (<1/10) of the Swiss eight hours occupational exposure limits, except for butoxypropanol and benzyl alcohol, where no occupational exposure limits were available. Although only detected once, ethylene glycol mono-n-butyl ether air concentrations (n=4) were high (49.5 mg/m3 to 58.7 mg/m3), hovering at the Swiss occupational exposure limit (49 mg/m3). Background air concentrations showed no presence of monoethanolamine, while the glycol ethers were often present, and formaldehyde was universally detected. Exposures were influenced by the amount of monoethanolamine in the cleaning product, cross ventilation and spraying. The collected data was used to test an already existing exposure modeling tool during the last phases of the study. The exposure estimation of the so called Bayesian tool converged with the measured range of exposure the more air concentrations of measured exposure were added. This was best described by an inverse 2nd order equation. The results suggest that the Bayesian tool is not adapted to predict low exposures. The Bayesian tool should be tested also with other datasets describing higher exposures. Low exposures to different chemical sensitizers and irritants should be further investigated to better understand the development of respiratory disorders in cleaning workers. Prevention measures should especially focus on incorrect use of cleaning products, to avoid high air concentrations at the exposure limits. - De récentes études montrent l'existence d'un lien entre l'exposition aux produits de nettoyages et les maladies respiratoires telles que l'asthme. En revanche, encore peu d'informations sont disponibles concernant la quantité d'exposition des professionnels du secteur du nettoyage aux composants organiques volatiles provenant des produits qu'ils utilisent. Pendant la première phase de cette étude, un recueil systématique des produits professionnels utilisés dans le secteur du nettoyage a été effectué. Les fiches de données de sécurité de ces produits ont ensuite été analysées, afin de répertorier les composés organiques volatiles les plus souvent utilisés. Il a été mis en évidence que les produits de nettoyage professionnels sont des mélanges complexes de composants chimiques (composants chimiques dans les produits de nettoyage : 3.5 ± 2.8). Ainsi, plus de 130 substances listées dans les fiches de données de sécurité ont été retrouvées dans les 105 produits répertoriés. Les principales classes de substances chimiques identifiées étaient les parfums, les éthers de glycol, les agents de surface et les solvants; dans une moindre mesure, les phosphates, les sels, les détergents, les régulateurs de pH, les acides et les bases ont été identifiés. Plus de 75% des produits répertoriés contenaient des substances décrites comme irritantes (Xi), 64% nuisibles (Xn) et 28% corrosives (C). Les risques pour les yeux (59%), la peau (50%) et par ingestion (60%) était les plus mentionnés. La monoéthanolamine, un fort irritant connu pour être impliqué dans les mécanismes de sensibilisation tels que les réactions allergiques, est fréquemment ajouté aux produits de nettoyage. L'analyse de la monoéthanolamine dans l'air a été habituellement difficile et les échantillons d'air ainsi que les méthodes d'analyse déjà disponibles étaient peu adaptées à l'évaluation de la concentration individuelle d'air aux postes de travail. Une nouvelle méthode plus efficace a donc été développée en captant les échantillons d'air sur des filtres de fibre de verre imprégnés, suivi par une étape de désorption, puis une Chromatographie des gaz et enfin une détection sélective des composants d'azote. Une évaluation de l'exposition des professionnels a été réalisée dans le secteur du nettoyage afin de déterminer la concentration atmosphérique en monoéthanolamine, en éthers de glycol et en alcool benzylique au cours des différentes tâches de nettoyage effectuées par les professionnels du nettoyage dans différentes entreprises, ainsi que pour déterminer les concentrations atmosphériques de fond en formaldéhyde, un polluant de l'air intérieur bien connu. L'étude de l'exposition professionnelle a été effectuée dans 12 compagnies de nettoyage et les échantillons d'air individuels ont été collectés pour l'éthanolamine (n=68), les éthers de glycol (n=79), l'alcool benzylique (n=15) et le formaldéhyde (n=45). Toutes les substances mesurées dans l'air, excepté le 2-butoxyéthanol, étaient en-dessous (<1/10) de la valeur moyenne d'exposition aux postes de travail en Suisse (8 heures), excepté pour le butoxypropanol et l'alcool benzylique, pour lesquels aucune valeur limite d'exposition n'était disponible. Bien que détecté qu'une seule fois, les concentrations d'air de 2-butoxyéthanol (n=4) étaient élevées (49,5 mg/m3 à 58,7 mg/m3), se situant au-dessus de la frontière des valeurs limites d'exposition aux postes de travail en Suisse (49 mg/m3). Les concentrations d'air de fond n'ont montré aucune présence de monoéthanolamine, alors que les éthers de glycol étaient souvent présents et les formaldéhydes quasiment toujours détectés. L'exposition des professionnels a été influencée par la quantité de monoéthanolamine présente dans les produits de nettoyage utilisés, par la ventilation extérieure et par l'emploie de sprays. Durant la dernière phase de l'étude, les informations collectées ont été utilisées pour tester un outil de modélisation de l'exposition déjà existant, l'outil de Bayesian. L'estimation de l'exposition de cet outil convergeait avec l'exposition mesurée. Cela a été le mieux décrit par une équation du second degré inversée. Les résultats suggèrent que l'outil de Bayesian n'est pas adapté pour mettre en évidence les taux d'expositions faibles. Cet outil devrait également être testé avec d'autres ensembles de données décrivant des taux d'expositions plus élevés. L'exposition répétée à des substances chimiques ayant des propriétés irritatives et sensibilisantes devrait être investiguée d'avantage, afin de mieux comprendre l'apparition de maladies respiratoires chez les professionnels du nettoyage. Des mesures de prévention devraient tout particulièrement être orientées sur l'utilisation correcte des produits de nettoyage, afin d'éviter les concentrations d'air élevées se situant à la valeur limite d'exposition acceptée.

Differential allocation and deployment of direct and indirect defences by Vicia sepium along elevation gradients

Dissecting drivers of plant defence investment remains central for understanding the assemblage of communities across different habitats. There is increasing evidence that direct defence strategies against herbivores, including secondary metabolites production, differ along ecological gradients in response to variation in biotic and abiotic conditions. In contrast, intraspecific variation in indirect defences remains unexplored. Here, we investigated variation in herbivory rate, resistance to herbivores, and indirect defences in ant-attracting Vicia species along the elevation gradient of the Alps. Specifically, we compared volatile organic compounds (VOCs) and ant attraction in high and low elevation ecotypes. Consistent with adaptation to the lower herbivory conditions that we detected at higher elevations in the field, high elevation plants were visited by fewer ants and were more susceptible to herbivore attack. In parallel, constitutive volatile organic compound production and subsequent ant attraction were lower in the high elevation ecotypes. We observed an elevation-driven trade-off between constitutive and inducible production of VOCs and ant attraction along the environmental cline. At higher elevations, inducible defences increased, while constitutive defence decreased, suggesting that the high elevation ecotypes compensate for lower indirect constitutive defences only after herbivore attack. Synthesis. Overall, direct and indirect defences of plants vary along elevation gradients. Our findings show that plant allocation to defences are subject to trade-offs depending on local conditions, and point to a feedback mechanism linking local herbivore pressure, predator abundance and the defence investment of plants.

Indoor air quality in a public building following smoking bans

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

Building energy saving techniques and indoor air quality : a dilemma

In European countries and North America, people spend 80 to 90% of time inside buildings and thus breathe indoor air. In Switzerland, special attention has been devoted to the 16 stations of the national network of observation of atmospheric pollutants (NABEL). The results indicate a reduction in outdoor pollution over the last ten years. With such a decrease in pollution over these ten years the question becomes: how can we explain an increase of diseases? Indoor pollution can be the cause. Indoor contaminants that may create indoor air quality (IAQ) problems come from a variety of sources. These can include inadequate ventilation, temperature and humidity dysfunction, and volatile organic compounds (VOCs). The health effects from these contaminants are varied and can range from discomfort, irritation and respiratory diseases to cancer. Among such contaminants, environmental tobacco smoke (ETS) could be considered the most important in terms of both health effects and engineering controls of ventilation. To perform indoor pollution monitoring, several selected ETS tracers can be used including carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), respirable particles (RSP), condensate, nicotine, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nitrosamines, etc. In this paper, some examples are presented of IAQ problems that have occurred following the renewal of buildings and energy saving concerns. Using industrial hygiene sampling techniques and focussing on selected priority pollutants used as tracers, various problems have been identified and solutions proposed. [Author]

Direct and indirect root defences of milkweed (Asclepias syriaca): trophic cascades, trade-offs and novel methods for studying subterranean herbivory

P>1. Entomopathogenic nematodes can function as indirect defence for plants that are attacked by root herbivores. By releasing volatile organic compounds (VOCs), plants signal the presence of host insects and thereby attract nematodes.2. Nonetheless, how roots deploy indirect defences, how indirect defences relate to direct defences, and the ecological consequences of root defence allocation for herbivores and plant biomass are essentially unknown.3. We investigate a natural below-ground tritrophic system, involving common milkweed, a specialist root-boring beetle and entomopathogenic nematodes, and asked whether there is a negative genetic correlation between direct defences (root cardenolides) and indirect defences (emission of volatiles in the roots and nematode attraction), and between constitutive and inducible defences.4. Volatiles of roots were analysed using two distinct sampling methods. First, we collected emissions from living Asclepias syriaca roots by dynamic headspace sampling. This method showed that attacked A. syriaca plants emit five times higher levels of volatiles than control plants. Secondly, we used a solid phase micro-extraction (SPME) method to sample the full pool of volatiles in roots for genetic correlations of volatile biosynthesis.5. Field experiments showed that entomopathogenic nematodes prevent the loss of biomass to root herbivory. Additionally, suppression of root herbivores was mediated directly by cardenolides and indirectly by the attraction of nematodes. Genetic families of plants with high cardenolides benefited less from nematodes compared to low-cardenolide families, suggesting that direct and indirect defences may be redundant. Although constitutive and induced root defences traded off within each strategy (for both direct and indirect defence, cardenolides and VOCs, respectively), we found no trade-off between the two strategies.6. Synthesis. Constitutive expression and inducibility of defences may trade off because of resource limitation or because they are redundant. Direct and indirect defences do not trade off, likely because they may not share a limiting resource and because independently they may promote defence across the patchiness of herbivore attack and nematode presence in the field. Indeed, some redundancy in strategies may be necessary to increase effective defence, but for each strategy, an economy of deployment reduces overall costs.

Nature, evolution and characterisation of rhizospheric chemical exudates affecting root herbivores

Similar to aboveground herbivores, root-feeding insects must locate and identify suitable resources. In the darkness of soil, they mainly rely on root chemical exudations and, therefore, have evolved specific behaviours. Because of their impact on crop yield, most of our knowledge in belowground chemical ecology is biased towards soil-dwelling insect pests. Yet the increasing literature on volatile-mediated interactions in the ground underpins the great importance of chemical signalling in this ecosystem and its potential in pest control. Here, we explore the ecology and physiology of these chemically based interactions. An evolutionary approach reveals interesting patterns in the response of insects to particular classes of volatile or water-soluble organic compounds commonly emitted by roots. Food web analyses reasonably support that volatiles are used as long-range cues whereas water-soluble molecules serve in host acceptance/rejection by the insect; however, data are still scarce. As a case study, the chemical ecology of Diabrotica virgifera virgifera is discussed and applications of belowground signalling in pest management are examined. Soil chemical ecology is an expanding field of research and will certainly be a hub of our understanding of soil communities and subsequently of the management of belowground ecosystem services.

Intrinsic ROS-production capacity of nanoparticles

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

Evolutionary switch and genetic convergence on rbcL following the evolution of C4 photosynthesis.

Rubisco is responsible for the fixation of CO2 into organic compounds through photosynthesis and thus has a great agronomic importance. It is well established that this enzyme suffers from a slow catalysis, and its low specificity results into photorespiration, which is considered as an energy waste for the plant. However, natural variations exist, and some Rubisco lineages, such as in C4 plants, exhibit higher catalytic efficiencies coupled to lower specificities. These C4 kinetics could have evolved as an adaptation to the higher CO2 concentration present in C4 photosynthetic cells. In this study, using phylogenetic analyses on a large data set of C3 and C4 monocots, we showed that the rbcL gene, which encodes the large subunit of Rubisco, evolved under positive selection in independent C4 lineages. This confirms that selective pressures on Rubisco have been switched in C4 plants by the high CO2 environment prevailing in their photosynthetic cells. Eight rbcL codons evolving under positive selection in C4 clades were involved in parallel changes among the 23 independent monocot C4 lineages included in this study. These amino acids are potentially responsible for the C4 kinetics, and their identification opens new roads for human-directed Rubisco engineering. The introgression of C4-like high-efficiency Rubisco would strongly enhance C3 crop yields in the future CO2-enriched atmosphere.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Cyst-based ecotoxicological tests using Anostracans: comparison of two species of Streptocephalus

Cyst-based ecotoxicological tests are simple and low-cost methods for assessing acute toxicity. Nevertheless, only a few comparative studies on their sensitivity are known. In the present study, the suitability of the use of two freshwater Anostracan species, Streptocephalus rubricaudatus and S. texanus, was assessed. The impact of 16 priority pollutants (4 heavy metals, 11 organic, and 1 organometallic compounds) on these two species, as well as on Artemia salina (Artoxkit M), Daphnia magna (International Organization for Standardization 6341), and S. proboscideus (Streptoxkit F) was assessed. For indicative comparison, bioassays using Brachionus calyciflorus (Rotoxkit F) and Photobacterium phosphoreum (Microtox) were also performed. For heavy metals (K2Cr2O7, Cd2+, Zn2+, Cu2+), the sensitivity of the two studied Streptocephalus species was slightly higher than that of D. magna. It was significantly more elevated than for the marine A. salina. For organic and organometallic micropollutants [phenol, 3,5-dichlorophenol, pentachlorophenol (PCP), hydroquinone, linear alkylbenzene sulfonate, sodium dodecyl sulfate, tributylphosphate, dimethylphthalate, atrazine, lindane, malathion, tributyltin chloride (TBT-Cl)], the sensitivity of the 4 anostracan species was of the same order of magnitude as that of D. magna. Artemia salina was slightly less sensitive to some organic compounds (PCP, hydroquinone, TBT-Cl). The sensitivity of S. rubricaudatus to organic solvents was low. On the other hand, this anostracan was quite sensitive to NaCl. Thus, its use is restricted to freshwater samples. The evaluation of global practicability of these two tests confirms that cyst-based freshwater anostracans may be used to perform low-cost tests at a sensitivity comparable to that of D. magna (24 h immobilization test).

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Native folding of aggregation-prone recombinant proteins in Escherichia coli by osmolytes, plasmid- or benzyl alcohol-overexpressed molecular chaperones.

When massively expressed in bacteria, recombinant proteins often tend to misfold and accumulate as soluble and insoluble nonfunctional aggregates. A general strategy to improve the native folding of recombinant proteins is to increase the cellular concentration of viscous organic compounds, termed osmolytes, or of molecular chaperones that can prevent aggregation and can actively scavenge and convert aggregates into natively refoldable species. In this study, metal affinity purification (immobilized metal ion affinity chromatography [IMAC]), confirmed by resistance to trypsin digestion, was used to distinguish soluble aggregates from soluble nativelike proteins. Salt-induced accumulation of osmolytes during induced protein synthesis significantly improved IMAC yields of folding-recalcitrant proteins. Yet, the highest yields were obtained with cells coexpressing plasmid-encoded molecular chaperones DnaK-DnaJ-GrpE, ClpB, GroEL-GroES, and IbpA/B. Addition of the membrane fluidizer heat shock-inducer benzyl alcohol (BA) to the bacterial medium resulted in similar high yields as with plasmid-mediated chaperone coexpression. Our results suggest that simple BA-mediated induction of endogenous chaperones can substitute for the more demanding approach of chaperone coexpression. Combined strategies of osmolyte-induced native folding with heat-, BA-, or plasmid-induced chaperone coexpression can be thought to optimize yields of natively folded recombinant proteins in bacteria, for research and biotechnological purposes.

Age differences in biological monitoring of chemical exposure: a tentative description using a toxicokinetic model

AIM: Specific factors responsible for interindividual variability should be identified and their contribution quantified to improve the usefulness of biological monitoring. Among others, age is an easily identifiable determinant, which could play an important impact on biological variability. MATERIALS AND METHODS: A compartmental toxicokinetic model developed in previous studies for a series of metallic and organic compounds was applied to the description of age differences. Young male physiological and metabolic parameters, based on Reference Man information, were taken from preceding studies and were modified to take into account age based on available information about age differences. RESULTS: Numerical simulation using the kinetic model with the modified parameters indicates in some cases important differences due to age. The expected changes are mostly of the order of 10-20%, but differences up to 50% were observed in some cases. CONCLUSION: These differences appear to depend on the chemical and on the biological entity considered. Further work should be done to improve our estimates of these parameters, by considering for example uncertainty and variability in these parameters. [Authors]