QSAR modeling of antitubercular activity of diverse organic compounds

Tuberculosis (TB) is a worldwide infectious disease that has shown over time extremely high mortality levels. The urgent need to develop new antitubercular drugs is due to the increasing rate of appearance of multi-drug resistant strains to the commonly used drugs, and the longer durations of therapy and recovery, particularly in immuno-compromised patients. The major goal of the present study is the exploration of data from different families of compounds through the use of a variety of machine learning techniques so that robust QSAR-based models can be developed to further guide in the quest for new potent anti-TB compounds. Eight QSAR models were built using various types of descriptors (from ADRIANA.Code and Dragon software) with two publicly available structurally diverse data sets, including recent data deposited in PubChem. QSAR methodologies used Random Forests and Associative Neural Networks. Predictions for the external evaluation sets obtained accuracies in the range of 0.76-0.88 (for active/inactive classifications) and Q(2)=0.66-0.89 for regressions. Models developed in this study can be used to estimate the anti-TB activity of drug candidates at early stages of drug development (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Soil vapor extraction in sandy soils: influence of airflow rate

Airflow rate is one of the most important parameters for the soil vapor extraction of contaminated sites, due to its direct influence on the mass transfer occurring during the remediation process. This work reports the study of airflow rate influence on soil vapor extractions, performed in sandy soils contaminated with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene and perchloroethylene. The objectives were: (i) to analyze the influence of airflow rate on the process; (ii) to develop a methodology to predict the remediation time and the remediation efficiency; and (iii) to select the most efficient airflow rate. For dry sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, containing the contaminants previously cited, it was concluded that: (i) if equilibrium between the pollutants and the different phases present in the soil matrix was reached and if slow diffusion effects did not occur, higher airflow rates exhibited the fastest remediations, (ii) it was possible to predict the remediation time and the efficiency of remediation with errors below 14%; and (iii) the most efficient remediation were reached with airflow rates below 1.2 cm3 s 1 standard temperature and pressure conditions.

A straightforward method to obtain the cohesive laws of bonded joints under mode I loading

A simple procedure to measure the cohesive laws of bonded joints under mode I loading using the double cantilever beam test is proposed. The method only requires recording the applied load–displacement data and measuring the crack opening displacement at its tip in the course of the experimental test. The strain energy release rate is obtained by a procedure involving the Timoshenko beam theory, the specimen’s compliance and the crack equivalent concept. Following the proposed approach the influence of the fracture process zone is taken into account which is fundamental for an accurate estimation of the failure process details. The cohesive law is obtained by differentiation of the strain energy release rate as a function of the crack opening displacement. The model was validated numerically considering three representative cohesive laws. Numerical simulations using finite element analysis including cohesive zone modeling were performed. The good agreement between the inputted and resulting laws for all the cases considered validates the model. An experimental confirmation was also performed by comparing the numerical and experimental load–displacement curves. The numerical load–displacement curves were obtained by adjusting typical cohesive laws to the ones measured experimentally following the proposed approach and using finite element analysis including cohesive zone modeling. Once again, good agreement was obtained in the comparisons thus demonstrating the good performance of the proposed methodology.

Project, modelling and simulation of air stripping columns for the treatment of groundwater contaminated with volatile organic compounds

Volatile organic compounds are a common source of groundwater contamination that can be easily removed by air stripping in columns with random packing and using a counter-current flow between the phases. This work proposes a new methodology for the column design for any particular type of packing and contaminant avoiding the necessity of a pre-defined diameter used in the classical approach. It also renders unnecessary the employment of the graphical Eckert generalized correlation for pressure drop estimates. The hydraulic features are previously chosen as a project criterion and only afterwards the mass transfer phenomena are incorporated, in opposition to conventional approach. The design procedure was translated into a convenient algorithm using C++ as programming language. A column was built in order to test the models used either in the design or in the simulation of the column performance. The experiments were fulfilled using a solution of chloroform in distilled water. Another model was built to simulate the operational performance of the column, both in steady state and in transient conditions. It consists in a system of two partial non linear differential equations (distributed parameters). Nevertheless, when flows are steady, the system became linear, although there is not an evident solution in analytical terms. In steady state the resulting system of ODE can be solved, allowing for the calculation of the concentration profile in both phases inside the column. In transient state the system of PDE was numerically solved by finite differences, after a previous linearization.

A New Approach in the Design of Air Stripping Columns for the Treatment of Groundwater Contaminated With Volatile Organic Compounds

Volatile organic compounds are a common source of groundwater contamination that can be easily removed by air stripping in columns with random packing and using a counter-current flow between the phases. This work proposes a new methodology for column design for any type of packing and contaminant which avoids the necessity of an arbitrary chosen diameter. It also avoids the employment of the usual graphical Eckert correlations for pressure drop. The hydraulic features are previously chosen as a project criterion. The design procedure was translated into a convenient algorithm in C++ language. A column was built in order to test the design, the theoretical steady-state and dynamic behaviour. The experiments were conducted using a solution of chloroform in distilled water. The results allowed for a correction in the theoretical global mass transfer coefficient previously estimated by the Onda correlations, which depend on several parameters that are not easy to control in experiments. For best describe the column behaviour in stationary and dynamic conditions, an original mathematical model was developed. It consists in a system of two partial non linear differential equations (distributed parameters). Nevertheless, when flows are steady, the system became linear, although there is not an evident solution in analytical terms. In steady state the resulting ODE can be solved by analytical methods, and in dynamic state the discretization of the PDE by finite differences allows for the overcoming of this difficulty. To estimate the contaminant concentrations in both phases in the column, a numerical algorithm was used. The high number of resulting algebraic equations and the impossibility of generating a recursive procedure did not allow the construction of a generalized programme. But an iterative procedure developed in an electronic worksheet allowed for the simulation. The solution is stable only for similar discretizations values. If different values for time/space discretization parameters are used, the solution easily becomes unstable. The system dynamic behaviour was simulated for the common liquid phase perturbations: step, impulse, rectangular pulse and sinusoidal. The final results do not configure strange or non-predictable behaviours.

Effects of Soil Compaction and Organic Carbon Content on Preferential Flow in Loamy Field Soils

Abstract: Preferential flow and transport through macropores affect plant water use efficiency and enhance leaching of agrochemicals and the transport of colloids, thereby increasing the risk for contamination of groundwater resources. The effects of soil compaction, expressed in terms of bulk density (BD), and organic carbon (OC) content on preferential flow and transport were investigated using 150 undisturbed soil cores sampled from 15 × 15–m grids on two field sites. Both fields had loamy textures, but one site had significantly higher OC content. Leaching experiments were conducted in each core by applying a constant irrigation rate of 10 mm h−1 with a pulse application of tritium tracer. Five percent tritium mass arrival times and apparent dispersivities were derived from each of the tracer breakthrough curves and correlated with texture, OC content, and BD to assess the spatial distribution of preferential flow and transport across the investigated fields. Soils from both fields showed strong positive correlations between BD and preferential flow. Interestingly, the relationships between BD and tracer transport characteristics were markedly different for the two fields, although the relationship between BD and macroporosity was nearly identical. The difference was likely caused by the higher contents of fines and OC at one of the fields leading to stronger aggregation, smaller matrix permeability, and a more pronounced pipe-like pore system with well-aligned macropores.

The effect of key process operational conditions on enhanced biological phosphorus removal from wastewater

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is the most economic and sustainable option used in wastewater treatment plants (WWTPs) for phosphorus removal. In this process it is important to control the competition between polyphosphate accumulating organisms (PAOs) and glycogen accumulating organisms (GAOs), since EBPR deterioration or failure can be related with the proliferation of GAOs over PAOs. This thesis is focused on the effect of operational conditions (volatile fatty acid (VFA) composition, dissolved oxygen (DO) concentration and organic carbon loading) on PAO and GAO metabolism. The knowledge about the effect of these operational conditions on EBPR metabolism is very important, since they represent key factors that impact WWTPs performance and sustainability. Substrate competition between the anaerobic uptake of acetate and propionate (the main VFAs present in WWTPs) was shown in this work to be a relevant factor affecting PAO metabolism, and a metabolic model was developed that successfully describes this effect. Interestingly, the aerobic metabolism of PAOs was not affected by different VFA compositions, since the aerobic kinetic parameters for phosphorus uptake, polyhydroxyalkanoates (PHAs) degradation and glycogen production were relatively independent of acetate or propionate concentration. This is very relevant for WWTPs, since it will simplify the calibration procedure for metabolic models, facilitating their use for full-scale systems. The DO concentration and aerobic hydraulic retention time (HRT) affected the PAO-GAO competition, where low DO levels or lower aerobic HRT was more favourable for PAOs than GAOs. Indeed, the oxygen affinity coefficient was significantly higher for GAOs than PAOs, showing that PAOs were far superior at scavenging for the often limited oxygen levels in WWTPs. The operation of WWTPs with low aeration is of high importance for full-scale systems, since it decreases the energetic costs and can potentially improve WWTP sustainability. Extended periods of low organic carbon load, which are the most common conditions that exist in full-scale WWTPs, also had an impact on PAO and GAO activity. GAOs exhibited a substantially higher biomass decay rate as compared to PAOs under these conditions, which revealed a higher survival capacity for PAOs, representing an advantage for PAOs in EBPR processes. This superior survival capacity of PAOs under conditions more closely resembling a full-scale environment was linked with their ability to maintain a residual level of PHA reserves for longer than GAOs, providing them with an effective energy source for aerobic maintenance processes. Overall, this work shows that each of these key operational conditions play an important role in the PAO-GAO competition and should be considered in WWTP models in order to improve EBPR processes.

Masonry infill walls under blast loading using confined underwater blast wave generators (WBWG)

The vulnerability of the masonry envelop under blast loading is considered critical due to the risk of loss of lives. The behaviour of masonry infill walls subjected to dynamic out-of-plane loading was experimentally investigated in this work. Using confined underwater blast wave generators (WBWG), applying the extremely high rate conversion of the explosive detonation energy into the kinetic energy of a thick water confinement, allowed a surface area distribution avoiding also the generation of high velocity fragments and reducing atmospheric sound wave. In the present study, water plastic containers, having in its centre a detonator inside a cylindrical explosive charge, were used in unreinforced masonry infills panels with 1.7m by 3.5m. Besides the usage of pressure and displacement transducers, pictures with high-speed video cameras were recorded to enable processing of the deflections and identification of failure modes. Additional numerical studies were performed in both unreinforced and reinforced walls. Bed joint reinforcement and grid reinforcement were used to strengthen the infill walls, and the results are presented and compared, allowing to obtain pressure-impulse diagrams for design of masonry infill walls.

Dynamic interface model for masonry walls subjected to high strain rate out-of-plane loads

The present study proposes a dynamic constitutive material interface model that includes non-associated flow rule and high strain rate effects, implemented in the finite element code ABAQUS as a user subroutine. First, the model capability is validated with numerical simulations of unreinforced block work masonry walls subjected to low velocity impact. The results obtained are compared with field test data and good agreement is found. Subsequently, a comprehensive parametric analysis is accomplished with different joint tensile strengths and cohesion, and wall thickness to evaluate the effect of the parameter variations on the impact response of masonry walls.

Flexible organic–inorganic hybrid layer encapsulation for organic opto-electronic devices

In this work we produce and study the flexible organic–inorganic hybrid moisture barrier layers for the protection of air sensitive organic opto-electronic devices. The inorganic amorphous silicon nitride layer (SiNx:H) and the organic PMMA [poly (methyl methacrylate)] layer are deposited alternatingly by using hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) and spin-coating techniques, respectively. The effect of organic–inorganic hybrid interfaces is analyzed for increasing number of interfaces. We produce highly transparent (∼80% in the visible region) hybrid structures. The morphological properties are analysed providing a good basis for understanding the variation of the water vapor transmission rate (WVTR) values. A minimum WVTR of 4.5 × 10−5g/m2day is reported at the ambient atmospheric conditions for 7 organic/inorganic interfaces. The hybrid barriers show superb mechanical flexibility which confirms their high potential for flexible applications.

Production of biohydrogen from dark fermentation of organic wastes

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Dinámica y cinética de los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs) de relevancia atmosférica. Dynamics and kinetics of the physical and chemical processes of OH radicals with atmospheric relevant volatile organic compounds (VOCs)

El objetivo del presente proyecto es estudiar los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs), con los cuales sea factible la formación de agregados de van der Waals (vdW) responsables de la curvatura en los gráficos de Arrhenius, empleando técnicas modernas, complementarias entre si y novedosas en el país. El problema será abordado desde tres perspectivas complementarias: 1) estudios cinéticos, 2) estudios mecanísticos y de distribución de productos y 3) estudios de la dinámica de los procesos físicos y químicos. La finalidad es alcanzar una mejor comprensión de los mecanismos que intervienen en el comportamiento químico de especies presentes en la atmósfera y obtener datos cinéticos de alta calidad que puedan alimentar modelos computacionales capaces de describir la composición de la atmósfera, presente y futura. Los objetivos son estudiar: 1) mediante fotólisis láser pulsada con detección por fluorescencia inducida por láser (PLP-LIF), en reactores de flujo, la cinética de reacción del radical OH(v”=0) con COVs que presentan gráficos de Arrhenius curvos con energías de activación negativas, tales como alcoholes insaturados, alquenos halogenados, éteres halogenados, ésteres alifáticos; 2) en una cámara de simulación de condiciones atmosféricas de gran volumen (4500 L), la identidad y el rendimiento de productos de las reacciones mencionadas, a fines de evaluar su impacto atmosférico y dilucidar los mecanismos de reacción; 3) mediante haces moleculares y espectroscopía láser, la estructura y reactividad de complejos de vdW entre alcoholes insaturados o aromáticos (cresoles) y el radical OH, como modelo de los aductos propuestos como responsables de la desviación al comportamiento de Arrhenius de las reacciones mencionadas; 4) mediante PLP-LIF y expansiones supersónicas, las constantes específicas estado a estado (ksts) de relajación/reacción del radical OH(v”=1-4) vibracionalmente excitado con los COVs mencionados. Los resultados experimentales obtenidos serán contrastados con cálculos ab-initio de estructura electrónica, los cuales apoyarán las interpretaciones, permitirán proponer estructuras de estados de transición y aductos colisionales, como así también calcular las frecuencias de vibración de los complejos de vdW para su posterior asignación en los espectros LIF y REMPI. Asimismo, los mecanismos de reacción propuestos y los parámetros cinéticos medidos experimentalmente serán comparados con aquellos obtenidos por cálculos teóricos. The aim of this project is to study the physical and chemical processes of OH radicals with volatile organic compounds (VOCs) with which the formation of van der Waals (vdW) clusters, responsible for the observed curvature in the Arrhenius plots, might be feasible. The problem will be addressed as follow : 1) kinetic studies; 2) products distribution and mechanistic studies and 3) dynamical studies of the physical and chemical processes. The purpose is to obtain a better understanding of the mechanisms that govern the chemical behavior of species present in the atmosphere and to obtain high quality kinetic data to be used as input to computational models. We will study: 1) the reaction kinetics of OH (v”=0) radicals with VOCs such as unsaturated alcohols, halogenated alkenes, halogenated ethers, aliphatic esters, which show curved Arrhenius plots and negative activation energies, by PLP-LIF, in flow systems; 2) in a large volume (4500 L) atmospheric simulation chamber, reaction products yields in order to evaluate their atmospheric impact and reaction mechanisms; 3) using molecular beams and laser spectroscopy, the structure and reactivity of the vdW complexes formed between the unsaturated or aromatic alcohols and the OH radicals as a model of the adducts proposed as responsible for the non-Arrhenius behavior; 4) the specific state-to-state relaxation/reaction rate constants (ksts) of the vibrationally excited OH (v”=1-4) radical with the VOCs by PLP-LIF and supersonic expansions. Ab-initio calculations will be carried out to support the interpretation of the experimental results, to obtain the transition state and collisional adducts structures, as well as to calculate the vibrational frequencies of the vdW complexes to assign to the LIF and REMPI spectra. Also, the proposed reaction mechanisms and the experimentally measured kinetic parameters will be compared with those obtained from theoretical calculations.

Bioremediation of diesel contaminated soils : an investigation into the effects of biosurfactant and organic matter amendments

The aim of this study was to investigate the effects of biosurfactants and organic matter amendments on the bioremediation of diesel contaminated soil. Two strains of Pseudomonas aeruginosa with the ability to produce biosurfactant were isolated from a water and soil sample in Co. Sligo. The first strain, Isolate A, produced a biosurfactant which contained four rhamnose containing compounds, when grown in proteose peptone glucose ammonium salts medium with glucose as the carbon source. Two of the components were identified as rhamnolipid 1 and 2 whilst the other two components were unidentified. The second strain, Isolate GO, when grown in similar conditions produced a biosurfactant which contained only rhamnolipid 2. The type of aeration system used had a significant effect on the abiotic removal of diesel from soil. Forced aeration at a rate of 120L 02/kg soil/ hour resulted in the greatest removal. Over a 112 day incubation period this type o f aeration resulted in the removal o f 48% o f total hexane extractable material. In relation to bioremediation of the diesel contaminated sandy soil, amending the soil with two inorganic nutrients, KH2PO4 and NÜ4N03, significantly enhanced the removal of diesel, especially the «- alkanes, when compared to an unamended control. The biosurfactant from Isolate A and a biosurfactant produced by Pseudomonas aeruginosa NCIMB 8628 (a known biosurfactant producer), when applied at a concentration of three times their critical micelle concentration, had a neutral effect on the biodégradation o f diesel contaminated sandy soil, even in the presence o f inorganic nutrients. It was deduced that the main reason for this neutral effect was because they were both readily biodegraded by the indigenous microorganisms. The most significant removal of diesel occurred when the soils were amended with two organic materials plus the inorganic nutrients. Amendment of the diesel contaminated soil with spent brewery grain (SBG) removed significantly more diesel than amendment with dried molassed sugar beet pulp (DMSBP). After a 108 day incubation period, amendment of the diesel contaminated soil with DMSBP plus inorganic nutrients and SBG plus inorganic nutrients resulted in 72 and 89% removal of diesel range organics (DRO), in comparison to 41% removal of DRO in an inorganic nutrient amended control. The first order kinetic model described the degradation of the different diesel components with high correlation and was used to calculate Vi lives. The V2 life, of the total «-alkanes in the diesel was reduced from 40 days in the control to 8.5 and 5.1 days in the presence of DMSBP and SBG, respectively. The V2 life o f the unresolved complex mixture (UCM) in the diesel contaminated soil was also significantly reduced in the presence o f the two organics. DMSBP and SBG addition reduced UCM V2 life to 86 and 43 days, respectively, compared to 153 days in the control. The component of diesel whose removal was enhanced the greatest through the organic material amendments was the isoprenoid, pristane, a compound which until recently was thought to be nonbiodegradable and was used as an inert biomarker in oil degradation studies. The V2 life of pristane was reduced from 533 days in the nutrient amended control to 49.5 and 19.5 days in DMSBP and SBG amended soils. These results indicate that the addition o f the DMSBP and SBG to diesel contaminated soil stimulated diesel biodégradation, probably by enhancing the indigenous diesel degrading microbial population to degrade diesel hydrocarbons, whilst the addition o f biosurfactants had no enhanced effect on the bioremediation process.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Bit loading for MIMO with statistical channel information at the transmitter and ZF receivers

For single-user MIMO communication with uncoded and coded QAM signals, we propose bit and power loading schemes that rely only on channel distribution information at the transmitter. To that end, we develop the relationship between the average bit error probability at the output of a ZF linear receiver and the bit rates and powers allocated at the transmitter. This relationship, and the fact that a ZF receiver decouples the MIMO parallel channels, allow leveraging bit loading algorithms already existing in the literature. We solve dual bit rate maximization and power minimization problems and present performance resultsthat illustrate the gains of the proposed scheme with respect toa non-optimized transmission.