Estimation of pollutant partition in sandy soils with different water contents

The objectives of this work were: (1) to identify an isotherm model to relate the contaminant contents in the gas phase with those in the solid and non-aqueous liquid phases; (2) to develop a methodology for the estimation of the contaminant distribution in the different phases of the soil; and (3) to evaluate the influence of soil water content on the contaminant distribution in soil. For sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, contaminated with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene (TCE), and perchloroethylene (PCE), it was concluded that: (1) Freundlich’s model showed to be adequate to relate the contaminant contents in the gas phase with those in the solid and non-aqueous liquid phases; (2) the distribution of the contaminants in the different phases present in the soil could be estimated with differences lower than 10% for 83% of the cases; and (3) an increase of the soil water content led to a decrease of the amount of contaminant in the solid and non-aqueous liquid phases, increasing the amount in the other phases.

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.

A simple halide-to-anion exchange method for heteroaromatic salts and ionic liquids

A broad and simple method permitted halide ions in quaternary heteroaromatic and ammonium salts to be exchanged for a variety of anions using an anion exchange resin (A− form) in non-aqueous media. The anion loading of the AER (OH− form) was examined using two different anion sources, acids or ammonium salts, and changing the polarity of the solvents. The AER (A− form) method in organic solvents was then applied to several quaternary heteroaromatic salts and ILs, and the anion exchange proceeded in excellent to quantitative yields, concomitantly removing halide impurities. Relying on the hydrophobicity of the targeted ion pair for the counteranion swap, organic solvents with variable polarity were used, such as CH3OH, CH3CN and the dipolar nonhydroxylic solvent mixture CH3CN:CH2Cl2 (3:7) and the anion exchange was equally successful with both lipophilic cations and anions.

A simple halide-to-anion exchange method for heteroaromatic salts and ionic liquids

A broad and simple method permitted halide ions in quaternary heteroaromatic and ammonium salts to be exchanged for a variety of anions using an anion exchange resin (A− form) in non-aqueous media. The anion loading of the AER (OH− form) was examined using two different anion sources, acids or ammonium salts, and changing the polarity of the solvents. The AER (A− form) method in organic solvents was then applied to several quaternary heteroaromatic salts and ILs, and the anion exchange proceeded in excellent to quantitative yields, concomitantly removing halide impurities. Relying on the hydrophobicity of the targeted ion pair for the counteranion swap, organic solvents with variable polarity were used, such as CH3OH, CH3CN and the dipolar nonhydroxylic solvent mixture CH3CN:CH2Cl2 (3:7) and the anion exchange was equally successful with both lipophilic cations and anions.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

Biocatálise em meios aquo-restritos: fundamentos e aplicações em química analítica

The ability of enzymes to function in aquo-restricted media (commonly reported as non-aqueous media) has greatly enlarged the applications in numerous fields. The development of biosensors was also benefited with this area, expanding their applications toward many previously inaccessible analytes, enlarging significantly the scope of applications. In this review, some basic factors that influence biocatalytical reactions in aquo-restricted media is discussed. Attention is focused on the development, advantages and analytical applications of biosensors in non-aqueous media. Recent examples and relevant applications of their use are presented.

O relevante papel do agente sililante na modificação de superfícies de polímeros

The applicability of the silylant agents of the general formula Y3Si-R-X, depends on the reactivity of Y group (halide or alcoxide) attached to silicon and the organic function X (halide, amine, thiol, cyanide, etc) in the extreme position of the chain. Both groups are linked together by an organic chain R, containing usually three methylene groups. A series of these agents can be covalently bonded to an inorganic matrix, since the available OH groups are distributed on the surface, making silica gel the most common support. However, other inorganic oxides, zeolites, lamellar inorganic phosphates and chrysotile can also have these agents anchored. Some illustration are presented for immobilized surface in the use as extractors of cations from dilute aqueous or non-aqueous solutions, catalysts agents, ionic exchanged materials, support for enzyme immobilization, chromatographic applications, use in some industrial features and in many other areas. The evolution of this exciting research field to produce new materials, for many tecnological applications, is strongly dependent on the development of a sensible systematic process for the synthesis of a series of new specific silylant agents.

One pot obtention of a tetrabutylammonium hydroxide solution for ironporphyrin-OH- interaction studies in organic solvents

In this work we report the obtention of a tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) solution in acetonitrile in a one pot process in order to study the interaction ironporphyrinOH- in non-aqueous systems. All the reactions were carried out under dry argon atmosphere to prevent the contamination of the solution with CO2, which leads to the formation of (TBA)2CO3.

Termoquímica na Unicamp: depoimento sobre uma jornada de 25 anos

This article describes the progress of a group of investigation on thermochemistry, which started in 1972. A homemade calorimeter was employed to provide quantitative support to the information on interative effect between lanthanide cations and halides or pseudohalides, in non-aqueous solvents, previously derived from conductometric titrations. However, the features of this instrument were not able to detect the thermal effects. Therefore, the great input to the group came from the acquisition of an LKB commercial apparatus, by the University in 1975. Considering the historical development of the coordination chemistry in Brazil, which was previously dedicated to strutural features of adducts, without focusing the energetic envolved in any coordinationcompound. Since starting the thermochemistry study, numerous masters and doctoral thesis covering more than a hundred adducts and a reasonable number of chelates, were presented systematizing data in order to understand the behavior of this kind of coordination compounds (C. Airoldi and A. P. Chagas, Coord. Chem. Rev. 1992, 119, 29). This knowledge enabled an extension of the study to include some heterogeneous systems formed by natural or synthetic materials like immobilized silica gel, lamellar phosphate, phosphonate or sulphate compounds, clays, polysaccharides, chrysotile, soils, etc. Many students are now engaged as staff members in Universities, Research Instituitions or other private institutions, developing many activities. Due to a multiplying effect on the formation of researchers, the group is now reaching the fourth generation.

O uso de sílica gel organofuncionalizada como agente sequestrante para metais

An overview about the homogeneous and heterogeneous methods of synthesizing silylating agents and applications of the organofunctionalized silica-gel samples was explored. The pendant molecules attached covalently to the inorganic surface displayed important properties to act as sequestrating agents for metals in aqueous and non-aqueous solutions. The large variety of basic centres anchored on organic molecules improve the capacity in adsorbing cations. The increase in adsorption is dependent on the number of basic atoms disposed on the pendant molecules on the surface. The combination of acidic and basicity properties favours the selectivity, such is exemplified by the thiol modified silicas towards mercury (II) cations.

Cromatografia de troca-iônica aplicada ao isolamento da fração ácida do óleo de copaíba (Copaifera multijuga) e da sacaca (Croton cajucara)

Plant extracts are usually complex mixtures which contain several molecules of different sizes with varied functional groups. Such extracts are a challenge to the chemist of natural products. Ion exchange chromatography in non-aqueous medium, used for separation of basic or acidic fractions from plant extracts, is an important unit operation in preparative scale separations. Anionic macroporous resin in non-aqueous medium was used with success in this study for separation of the acid fraction of Copaifera multijuga (Copaiba oil), rich in labdanic diterpenes and for the methanolic extract of Croton cajucara (acetyl aleuritoric acid).

Avaliação do desempenho de surfactantes para a solubilização de fases líquidas não aquosas em meio aquoso

The presence of non-aqueous phase liquids (NAPLs) in the subsurface is a threat to public health as well as a serious environmental issue. NAPLs may remain adsorbed or form lenses floating on aquifers causing long-term contaminations. Surfactants may increase NAPLs solubility, enhancing the pump-and-treatment performance. Size, shape, hydration and ionization degree of the micelles define the affinity and the space available for the solubilization of a particular contaminating agent. The tests carried out at laboratory scale, taking into account the NAPL to be removed and the medium characteristics were useful to select surfactants and evaluate their efficiency as NAPLs solubilizers.

Viscometric investigations and molecular interactions of some derivatives of 5-substituted indole dihydropyrimidines in mixed organic solvents

Colloid chemical behavior of indole dihydropyrimidines in non-aqueous solvent mixture benzene-methanol of varying composition has been investigated by viscometric measurements at 303K± 0.1. The viscosity of the system increases with the increase in concentration. The Trend Change Point (TCP) values have been determined by intersection of two straight lines, which are found to be dependent on the composition of solvent mixtures. The study confirms that the nature of synthesized compounds agglomerate formed below and above 50% benzene concentration is quite different. The viscometric data have been analyzed in terms of Einstein, Vand, Moulik and Jones-Dole equations. These well known equations have been successfully applied to explain the results of viscosity measurements and the viscometric parameters show that the behavior of compound changes in the proximity of 50% benzene concentration.

Enhanced production and organic solvent stability of a protease fromBrevibacillus laterosporus strain PAP04

A bacterial strain (PAP04) isolated from cattle farm soil was shown to produce an extracellular, solvent-stable protease. Sequence analysis using 16S rRNA showed that this strain was highly homologous (99%) to Brevibacillus laterosporus. Growth conditions that optimize protease production in this strain were determined as maltose (carbon source), skim milk (nitrogen source), pH 7.0, 40°C temperature, and 48 h incubation. Overall, conditions were optimized to yield a 5.91-fold higher production of protease compared to standard conditions. Furthermore, the stability of the enzyme in organic solvents was assessed by incubation for 2 weeks in solutions containing 50% concentration of various organic solvents. The enzyme retained activity in all tested solvents except ethanol; however, the protease activity was stimulated in benzene (74%) followed by acetone (63%) and chloroform (54.8%). In addition, the plate assay and zymography results also confirmed the stability of the PAP04 protease in various organic solvents. The organic solvent stability of this protease at high (50%) concentrations of solvents makes it an alternative catalyst for peptide synthesis in non-aqueous media.

Physicochemical and Biochemical Characterization of Enzymes Immobilized on lnorganic Matrices

Biotechnology is currently considered as a useful altemative to conventional process technology in industrial and catalytic fields. The increasing awareness of the need to create green and sustainable production processes in all fields of chemistry has stimulated materials scientists to search for innovative catalysts supports. lmmobilization of enzymes in inorganic matrices is very useful in practical applications due to the preserved stability and catalytic activity of the immobilized enzymes under extreme conditions. Nanostructured inorganic, organic or hybrid organic-inorganic nanocomposites present paramount advantages to facilitate integration and miniaturization of the devices (nanotechnologies), thus affording a direct connection between the inorganic, organic and biological worlds. These properties, combined with good chemical stability, make them competent candidates for designed biocatalysts, protein-separation devices, drug delivery systems, and biosensors Aluininosilicate clays and layered double hydroxides, displaying, respectively, cation and anion exchange properties, were found to be attractive materials for immobilization because of their hydrophilic, swelling and porosity properties, as well as their mechanical and thermal stability.The aim of this study is the replacement of inorganic catalysts by immobilized lipases to obtain purer and healthier products.Mesocellular silica foams were synthesized by oil-in-water microemulsion templating route and were functionalized with silane and glutaraldehyde. " The experimental results from IR spectroscopy and elemental analysis demonstrated the presence of immobilized lipase and also functionalisation with silane and glutaraldehyde on the supports.The present work is a comprehensive study on enzymatic synthesis of butyl isobutyrate through esterification reaction using lipase immobilized onto mesocellular siliceous foams and montmorillonite K-10 via adsorption and covalent binding. Moreover, the irnrnobil-ization does not modify the nature of the kinetic mechanism proposed which is of the Bi-Bi Ping—Pong type with inhibition by n-butanol. The immobilized biocatalyst can be commercially exploited for the synthesis of other short chain flavor esters. Mesocellular silica foams (MCF) were synthesized by microemusion templating method via two different routes (hydrothermal and room temperature). and were functionalized with silane and glutaraldehyde. Candida rugosa lipase was adsorbed onto MCF silica and clay using heptane as the coupling medium for reactions in non-aqueous media. I From XRD results, a slight broadening and lowering of d spacing values after immobilization and modification was observed in the case of MCF 160 and MCF35 but there was no change in the d-spacing in the case of K-10 which showed that the enzymes are adsorbed only on the external surface. This was further confirmed from the nitrogen adsorption measurements