Theoretical study of one- and two-photon absorption spectra of azoaromatic compounds

In this study, the one- and two-photon absorption spectra of seven azoaromatic compounds (five pseudostilbenes-type and two aminoazobenzenes) were theoretically investigated using the density functional theory combined with the response functions formalism. The equilibrium molecular structure of each compound was obtained at three different levels of theory: Hartree-Fock, density functional theory (DFT), and Moller-Plesset 2. The effect of solvent on the equilibrium structure and the electronic transitions of the compounds were investigated using the polarizable continuum model. For the one-photon absorption, the allowed pi ->pi(*) transition energy showed to be dependent on the molecular structures and the effect of solvent, while the n ->pi(*) and pi ->pi(*)(n) transition energies exhibited only a slight dependence. An inversion between the bands corresponding to the pi ->pi(*) and n ->pi(*) states due to the effect of solvent was observed for the pseudostilbene-type compounds. To characterize the allowed two-photon absorption transitions for azoaromatic compounds, the response functions formalism combined with DFT using the hybrid B3LYP and PBE0 functionals and the long-range corrected CAM-B3LYP functional was employed. The theoretical results support the previous findings based on the three-state model. The model takes into account the ground and two electronic excited states and has already been used to describe and interpret the two-photon absorption spectrum of azoaromatic compounds. The highest energy two-photon allowed transition for the pseudostilbene-type compounds shows to be more effectively affected (similar to 20%) by the torsion of the molecular structure than the lowest allowed transition (similar to 10%). In order to elucidate the effect of the solvent on the two-photon absorption spectra, the lowest allowed two-photon transition (dipolar transition) for each compound was analyzed using a two-state approximation and the polarizable continuum model. The results obtained reveal that the effect of solvent increases drastically the two-photon cross-section of the dipolar transition of the pseudostilbene-type compounds. In general, the features of both one- and two-photon absorption spectra of the azoaromatic compounds are well reproduced by the theoretical calculations.

Stable isotopes of bulk organic matter to trace carbon and nitrogen dynamics in an estuarine ecosystem in Babitonga Bay (Santa Catarina, Brazil)

The biogeochemical processes affecting the transport and cycling of terrestrial organic carbon in coastal and transition areas are still not fully understood One means of distinguishing between the sources of organic materials contributing to particulate organic matter (POM) in Babitonga Bay waters and sediments is by the direct measurement of delta(13)C of dissolved inorganic carbon (DIC) and delta(13)C and delta(15)N in the organic constituents. An isotopic survey was taken from samples collected in the Bay in late spring of 2004. The results indicate that the delta(13)C and delta(15)N compositions of OM varied from -21.7 parts per thousand to -26 2 parts per thousand. and from + 9 2 parts per thousand. to -0 1 parts per thousand, respectively. delta(13)C from DIC ranges from +0.04 parts per thousand to -12.7 parts per thousand The difference in the isotope compositions enables the determination of three distinct end-members terrestrial, marine and urban Moreover, the evaluation of source contribution to the particulate organic matter (POM) in the Bay, enables assessment of the anthropogenic impact. Comparing the depleted values of delta(13)C(DIC) and delta(13)C(POC) it is possible to further understand the carbon dynamic within Babitonga Bay (C) 2010 Elsevier BV All rights reserved

Corrosion resistant and adsorbent plasma polymerized thin film

Adsorbent and corrosion resistant films are useful for sensor development. Therefore, the aim of this work is the production and characterization of plasma polymerized fluorinated organic ether thin films for sensor development. The polymerized reactant was methyl nonafluoro(iso)butyl ether. Infrared Spectroscopy showed fluorinated species and eventually CO but CH(n) is a minor species. Contact angle measurements indicated that the film is hydrophobic and organophilic but oleophobic. Optical microscopy reveals not only a good adherence on metals and acrylic but also resistance for organic solvents, acid and basic aqueous solution exposure. Double layer and intermixing are possible and might lead to island formation. Quartz Crystal Microbalance showed that 2-propanol permeates the film but there is no sensitivity to n-hexane. The microreactor manufactured using a 73 cm long microchannel can retain approximately 9 X 10(-4) g/cm(2) of 2-propanol in vapor phase. Therefore, the film is a good candidate for preconcentration of volatile organic compounds even in corrosive environment. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Adsorbent new materials and composites produced in a single step

The aim of this work is the production and preliminary characterization of adsorbent new materials useful for sensor development. A new plasma chamber was simulated and designed in order to obtain multiple layers and/or composites in a single step. Plasma deposited organic fluorocompound and hexamethyldisilazane (HMDS) thin films were produced and tested as adsorbent layers. Chemical characterization used ellipsometry, Raman. infrared and X-ray photoelectron spectroscopy. Hydrophobic and oleophobic character were determined by contact angle measurements. Adsorption characteristics were evaluated using quartz crystal microbalance. Not only HMDS but also the fluorocompound can polymerize but intermixing and a double layer are only obtained in very narrow conditions. The films are adsorbent and mildly hydrophobic. Films deposited on a microchromatographic column can be used on sample pretreatment to remove and/or preconcentrate volatile organic Compounds. Therefore, with this approach it is possible to obtain films with different monomers on double layer or composites, with organic/inorganic materials or particles and use them on sample pretreatment for chemical analysis. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Organophilicity of MCM-41 adsorbents studied by adsorption and temperature-programmed desorption

In this paper, the organophilic property of MCM-41 was studied and compared with hydrophobic silicalite-l using adsorption and temperature-programmed desorption (TPD) methods. The surface heterogeneity of MCM-41 was evaluated in terms of activation energy for desorption (E-d) and isosteric heat of adsorption (q(st)). Results show that MCM-41 has a higher affinity to polar organic compounds than to non-polar organics while silicalite-l has a higher affinity to non-polar organic compounds than to polar organics. This organophilic behaviour of MCM-41 is attributed to its surface heterogeneity. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Antimicrobial activity of pyrazine and quinoxaline N,N’-dioxide heterocyclic compounds

The nitrogen heterocyclic organic compounds 1,4 dioxide pyrazine and quinoxaline derivatives have been widely studied due to their potential use as synthetic drugs. The thermochemical study of three N,N´-dioxides: 2,3,5-trimethylpyrazine-1,4-dioxide, tetramethylpyrazine-1,4-dioxide and 6-chloro-2,3-dimethilquinoxaline 1,4-dioxide has been recently developed in order to establish relationships among the energetical, structural and reactivity properties [4,5]. Several studies have reported their pharmacological activity, particularly as antimicrobial agents [1,2,3]. It has also been established a relation between energetical and structural properties and biological activity, once these compounds present N – oxide bonds, increasing their oxidative capacity. The present work reports the study of antimicrobial activity for those compounds against the bacteria Geobacillus stearothermophylus, Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Escherichia coli and also against the yeasts Saccharomyces cerevisiae PYCC 4072, Candida albicans PYCC3436T, Candida tropicalis PYCC, Issatchenka Orientalis PYCC. The determination of the minimal inhibitory concentration (MIC), points to an antimicrobial activity and the preliminary results indicate that these compounds may be potential candidates as antimicrobial drugs with clinical, agriculture or food industries applications.

Copper-organic frameworks assembled from in situ generated 5-(4-pyridyl) tetrazole building blocks: synthesis, structural features, topological analysis and catalytic oxidation of alcohols

Two new metal- organic compounds {[Cu-3(mu(3)-4-(p)tz)(4)(mu(2)-N-3)(2)(DMF)(2)](DMF)(2)}(n) (1) and {[Cu(4ptz) (2)(H2O)(2)]}(n) (2) {4-ptz = 5-(4-pyridyl)tetrazolate} with 3D and 2D coordination networks, respectively, have been synthesized while studying the effect of reaction conditions on the coordination modes of 4-pytz by employing the [2 + 3] cycloaddition as a tool for generating in situ the 5-substituted tetrazole ligands from 4-pyridinecarbonitrile and NaN3 in the presence of a copper(II) salt. The obtained compounds have been structurally characterized and the topological analysis of 1 discloses a topologically unique trinodal 3,5,6-connected 3D network which, upon further simplification, results in a uninodal 8-connected underlying net with the bcu (body centred cubic) topology driven by the [Cu-3(mu(2)-N-3)(2)] cluster nodes and mu(3)-4-ptz linkers. In contrast, the 2D metal-organic network in 2 has been classified as a uninodal 4-connected underlying net with the sql [Shubnikov tetragonal plane net] topology assembled from the Cu nodes and mu(2)-4-ptz linkers. The catalytic investigations disclosed that 1 and 2 act as active catalyst precursors towards the microwave-assisted homogeneous oxidation of secondary alcohols (1-phenylethanol, cyclohexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-octanol and 3-octanol) with tert-butylhydroperoxide, leading to the yields of the corresponding ketones up to 86% (TOF = 430 h(-1)) and 58% (TOF = 290 h(-1)) in the oxidation of 1-phenylethanol and cyclohexanol, respectively, after 1 h under low power ( 10 W) microwave irradiation, and in the absence of any added solvent or additive.

Coupling organic substrate removal to methane production in a fully biological microbial electrolysis cell

Microbial electrolysis cells (MECs) are an innovative and emerging technique based on the use of solid-state electrodes to stimulate microbial metabolism for wastewater treatment and simultaneous production of value-added compounds (such as methane). This research studied the performance of a two-chamber MEC in terms of organic matter oxidation (at the anode) and methane production (at the cathode). MEC‟s anode had been previously inoculated with an activated sludge, whereas the cathode chamber inoculum was an anaerobic sludge (containing methanogenic microorganisms). During the experimentation, the bioanode was continuously fed with synthetic solutions in anaerobic basal medium, at an organic load rate (OLR) of around 1 g L-1 d-1, referred to the chemical oxygen demand (COD). At the beginning (Run I), the feeding solution contained acetate and subsequently (Run II) it was replaced with a more complex solution containing soluble organic compounds other than acetate. For both conditions, the anode potential was controlled at -0.1 V vs. standard hydrogen electrode, by means of a potentiostat. During Run I, over 80% of the influent acetate was anaerobically oxidized at the anode, and the resulting electric current was recovered as methane at the cathode (with a cathode capture efficiency, CCE, accounting around 115 %). The average energy efficiency of the system (i.e., the energy captured into methane relative to the electrical energy input) under these conditions was over 170%. However, reactor‟s performance decreased over time during this run. Throughout Run II, a substrate oxidation over 60% (on COD basis) was observed. The electric current produced (57% of coulombic efficiency) was also recovered as methane, with a CCE of 90%. For this run the MEC‟s average energy efficiency accounted for almost 170 %. During all the experimentation, a very low biomass growth was observed at the anode whereas ammonium was transferred through the cationic membrane and concentrated at the cathode. Tracer experiments and scanning electron microscopy analyses were also carried out to gain a deeper insight into the reactor performance and also to investigate the possible reasons for partial loss of performance. In conclusion, this research suggests the great potential of MEC to successfully treat low-strength wastewaters, with high energy efficiency and very low sludge production.

Organic-inorganic nanostructured multilayers for calcium phosphate biomineralization

The weak fixation of biomaterials within the bone structure is one of the major reasons of implants failures. Calcium phosphate (CaP) coatings are used in bone tissue engineering to improve implant osseointegration by enhancing cellular adhesion, proliferation and differentiation, leading to a tight and stable junction between implant and host bone. It has also been observed that materials compatible with bone tissue either have a CaP coating or develop such a calcified surface upon implantation. Thus, the development of bioactive coatings becomes essential for further improvement of integration with the surrounding tissue. However, most of current applied CaP coatings methods (e.g. physical vapor deposition), cannot be applied to complex shapes and porous implants, provide poor structural control over the coating and prevent incorporation of bioactive organic compounds (e.g. antibiotics, growth factors) because of the used harsh processing conditions. Layer-by-layer (LbL) is a versatile technology that permits the building-up of multilayered polyelectrolyte films in mild conditions based on the alternate adsorption of cationic and anionic elements that can integrate bioactive compounds. As it is recognized in natureâ s biomineralization process the presence of an organic template to induce mineral deposition, this work investigate a ion based biomimetic method where all the process is based on LbL methodology made of weak natural-origin polyelectrolytes. A nanostructured multilayer component, with 5 or 10 bilayers, was produced initially using chitosan and chondroitin sulphate polyelectrolyte biopolymers, which possess similarities with the extracellular matrix and good biocompatibility. The multilayers are then rinsed with a sequential passing of solutions containing Ca2+ and PO43- ions. The formation of CaP over the polyelectrolyte multilayers was confirmed by QCM-D, SEM and EDX. The outcomes show that 10 polyelectrolyte bilayer condition behaved as a  better site for initiating the formation of CaP as the precipitation occur at earlier stages than in 5 polyelectrolyte bilayers one. This denotes that higher number of bilayers could hold the CaP crystals more efficiently. This work achieved uniform coatings that can be applied to any surface with access to the liquid media in a low-temperature method, which potentiates the manufacture of effective bioactive biomaterials with great potential in orthopedic applications.

Synthesis of iminosugars through diastereo/enantioselective diels-alder cycloaddition

Tese de Doutoramento em Ciências (Especialidade em Química)

Persistent organic chemicals of emerging environmental concern

The use of chemicals and chemical derivatives in agriculture and industry has contributed to their accumulation and persistence in the environment. Persistent organic pollutants (POPs) are among the environmental pollutants of most concern since, when improperly handled and disposed, they can persist in the environment, bioaccumulate through the food web, and may create serious public health and environmental problems. Development of an effective degradation process has become an area of intense research. The physical/chemical methods employed, such as volatilization, evaporation, photooxidation, adsorption, or hydrolysis, are not always effective, are very expensive, and, sometimes, lead to generation/disposal of other contaminants. Biodegradation is one of the major mechanisms by which organic contaminants are transformed, immobilized, or mineralized in the environment. A clear understanding of the major processes that affect the interactions between organic contaminants, microorganisms, and environmental matrix is, thus, important for determining persistence of the compounds, for predicting in situ transformation rates, and for developing site remediation. Information on their risks and impact and occurrence in the different environmental matrices is also important, in order to attenuate their impact and apply the appropriate remediation process. This chapter provides information on the fate of pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), their impact, bioavailability, and biodegradation. © Springer Science+Business Media Dordrecht 2014.

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.

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.

Organic Matter Fractions and Quality of the Surface Layer of a Constructed and Vegetated Soil After Coal Mining. I - Humic Substances and Chemical Characterization

After open coal mining, soils are “constructed”, which usually contain low levels and quality of organic matter (OM). Therefore, the use of plant species for revegetation and reclamation of degraded areas is essential. This study evaluated the distribution of carbon (C) in the chemical fractions as well as the chemical characteristics and humification degree of OM in a soil constructed after coal mining under cultivation of perennial grasses. The experiment was established in 2003 with the following treatments: Hemarthria altissima (T1), Paspalum notatum (T2), Cynodon dactilon (T3), Urochloa brizantha (T4), bare constructed soil (T5), and natural soil (T6). In 2009, soil samples were collected from the 0.00-0.03 m layer and the total organic carbon stock (TOC) and C stock in the chemical fractions: acid extract (CHCl), fulvic acid (CFA), humic acid (CHA), and humin (CHU) were determined. The humic acid (HA) fraction was characterized by infrared spectroscopy and the laser-induced fluorescence index (ILIF) of OM was also calculated. After six years, differences were only observed in the CHA stocks, which were highest in T1 (0.89 Mg ha-1) and T4 (1.06 Mg ha-1). The infrared spectra of HA in T1, T2 and T4 were similar to T6, with greater contribution of aliphatic organic compounds than in the other treatments. In this way, ILIF decreased in the sequence T5>T3>T4>T1>T2>T6, indicating higher OM humification in T3 and T5 and more labile OM in the other treatments. Consequently, the potential of OM quality recovery in the constructed soil was greatest in treatments T1 and T4.