Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

EADock : design of a new molecular docking algorithm and some of its applications

3 Summary 3. 1 English The pharmaceutical industry has been facing several challenges during the last years, and the optimization of their drug discovery pipeline is believed to be the only viable solution. High-throughput techniques do participate actively to this optimization, especially when complemented by computational approaches aiming at rationalizing the enormous amount of information that they can produce. In siiico techniques, such as virtual screening or rational drug design, are now routinely used to guide drug discovery. Both heavily rely on the prediction of the molecular interaction (docking) occurring between drug-like molecules and a therapeutically relevant target. Several softwares are available to this end, but despite the very promising picture drawn in most benchmarks, they still hold several hidden weaknesses. As pointed out in several recent reviews, the docking problem is far from being solved, and there is now a need for methods able to identify binding modes with a high accuracy, which is essential to reliably compute the binding free energy of the ligand. This quantity is directly linked to its affinity and can be related to its biological activity. Accurate docking algorithms are thus critical for both the discovery and the rational optimization of new drugs. In this thesis, a new docking software aiming at this goal is presented, EADock. It uses a hybrid evolutionary algorithm with two fitness functions, in combination with a sophisticated management of the diversity. EADock is interfaced with .the CHARMM package for energy calculations and coordinate handling. A validation was carried out on 37 crystallized protein-ligand complexes featuring 11 different proteins. The search space was defined as a sphere of 15 R around the center of mass of the ligand position in the crystal structure, and conversely to other benchmarks, our algorithms was fed with optimized ligand positions up to 10 A root mean square deviation 2MSD) from the crystal structure. This validation illustrates the efficiency of our sampling heuristic, as correct binding modes, defined by a RMSD to the crystal structure lower than 2 A, were identified and ranked first for 68% of the complexes. The success rate increases to 78% when considering the five best-ranked clusters, and 92% when all clusters present in the last generation are taken into account. Most failures in this benchmark could be explained by the presence of crystal contacts in the experimental structure. EADock has been used to understand molecular interactions involved in the regulation of the Na,K ATPase, and in the activation of the nuclear hormone peroxisome proliferatoractivated receptors a (PPARa). It also helped to understand the action of common pollutants (phthalates) on PPARy, and the impact of biotransformations of the anticancer drug Imatinib (Gleevec®) on its binding mode to the Bcr-Abl tyrosine kinase. Finally, a fragment-based rational drug design approach using EADock was developed, and led to the successful design of new peptidic ligands for the a5ß1 integrin, and for the human PPARa. In both cases, the designed peptides presented activities comparable to that of well-established ligands such as the anticancer drug Cilengitide and Wy14,643, respectively. 3.2 French Les récentes difficultés de l'industrie pharmaceutique ne semblent pouvoir se résoudre que par l'optimisation de leur processus de développement de médicaments. Cette dernière implique de plus en plus. de techniques dites "haut-débit", particulièrement efficaces lorsqu'elles sont couplées aux outils informatiques permettant de gérer la masse de données produite. Désormais, les approches in silico telles que le criblage virtuel ou la conception rationnelle de nouvelles molécules sont utilisées couramment. Toutes deux reposent sur la capacité à prédire les détails de l'interaction moléculaire entre une molécule ressemblant à un principe actif (PA) et une protéine cible ayant un intérêt thérapeutique. Les comparatifs de logiciels s'attaquant à cette prédiction sont flatteurs, mais plusieurs problèmes subsistent. La littérature récente tend à remettre en cause leur fiabilité, affirmant l'émergence .d'un besoin pour des approches plus précises du mode d'interaction. Cette précision est essentielle au calcul de l'énergie libre de liaison, qui est directement liée à l'affinité du PA potentiel pour la protéine cible, et indirectement liée à son activité biologique. Une prédiction précise est d'une importance toute particulière pour la découverte et l'optimisation de nouvelles molécules actives. Cette thèse présente un nouveau logiciel, EADock, mettant en avant une telle précision. Cet algorithme évolutionnaire hybride utilise deux pressions de sélections, combinées à une gestion de la diversité sophistiquée. EADock repose sur CHARMM pour les calculs d'énergie et la gestion des coordonnées atomiques. Sa validation a été effectuée sur 37 complexes protéine-ligand cristallisés, incluant 11 protéines différentes. L'espace de recherche a été étendu à une sphère de 151 de rayon autour du centre de masse du ligand cristallisé, et contrairement aux comparatifs habituels, l'algorithme est parti de solutions optimisées présentant un RMSD jusqu'à 10 R par rapport à la structure cristalline. Cette validation a permis de mettre en évidence l'efficacité de notre heuristique de recherche car des modes d'interactions présentant un RMSD inférieur à 2 R par rapport à la structure cristalline ont été classés premier pour 68% des complexes. Lorsque les cinq meilleures solutions sont prises en compte, le taux de succès grimpe à 78%, et 92% lorsque la totalité de la dernière génération est prise en compte. La plupart des erreurs de prédiction sont imputables à la présence de contacts cristallins. Depuis, EADock a été utilisé pour comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la Na,K ATPase et dans l'activation du peroxisome proliferatoractivated receptor a (PPARa). Il a également permis de décrire l'interaction de polluants couramment rencontrés sur PPARy, ainsi que l'influence de la métabolisation de l'Imatinib (PA anticancéreux) sur la fixation à la kinase Bcr-Abl. Une approche basée sur la prédiction des interactions de fragments moléculaires avec protéine cible est également proposée. Elle a permis la découverte de nouveaux ligands peptidiques de PPARa et de l'intégrine a5ß1. Dans les deux cas, l'activité de ces nouveaux peptides est comparable à celles de ligands bien établis, comme le Wy14,643 pour le premier, et le Cilengitide (PA anticancéreux) pour la seconde.