Consommation de cannabis : quels sont les risques?

Résumé - Les cannabinoïdes contenus dans la plante de cannabis ont un double usage et possèdent des propriétés opposées suivant les circonstances et les doses employées. Les cannabinoïdes, essentiellement drogue récréative ou d'abus pourraient, pour certains d'entre eux, devenir des médicaments. Selon les conditions d'utilisation, ils peuvent être neurotoxiques ou neuroprotecteurs, carcinogènes ou anticancéreux, hyper-émétiques ou antiémétiques, pro-inflammatoires ou anti-inflammatoires. . . Les techniques de culture sous serre indoor ainsi que la sélection de variétés de cannabis à fort potentiel de production ont conduit à un accroissement notable des taux de THC. Le cannabis est la drogue illégale la plus fréquemment consommée en Suisse et ailleurs dans le monde occidental. Environ la moitié des jeunes ont déjà expérimenté le cannabis. Environ 10 % des consommateurs le fument quotidiennement et en sont devenus dépendants. Un tiers de ces usagers peut être considéré comme chroniquement intoxiqué. Le THC, la principale substance psychoactive du cannabis, interagit avec le « système endocannabinoïde ». Ce système est composé de récepteurs cellulaires, de ligands endogènes et d'un dispositif complexe de synthèse, de dégradation, de régulation et de messagers intra-cellulaires. Le système endocannabinoïde joue un rôle clé dans le réglage fin du système nerveux. Les endocannabinoïdes régulent la mémorisation, l'apprentissage moteur et la plasticité des liaisons nerveuses. À dose psychoactive, le THC réduit les performances psychomotrices et neurocognitives. Les facultés d'apprentissage et de mémorisation sont diminuées. Le risque d'être responsable d'un accident de circulation est augmenté après prise de cannabis, et ceci d'autant plus que de l'alcool aura été consommé parallèlement. À l'exception des jeunes enfants, la consommation de cannabis n'entraîne pas de risque potentiel d'intoxication mortelle. Toutefois, le cannabis pourrait agir comme facteur déclenchant d'accident cardiovasculaire chez de rares individus prédisposés. Les individus jeunes, et/ou vulnérables ont un risque significativement plus élevé de développer une psychose à l'âge adulte ou de devenir dépendant au cannabis. Des études épidémiologiques ont montré que le risque de développer une schizophrénie à l'âge adulte était augmenté pour les consommateurs de cannabis et ceci d'autant plus que l'âge de début de consommation était précoce. Il en va de même pour le risque de dépression. Les troubles respiratoires pourraient être exacerbés par la prise de cannabis. Les femmes enceintes et celles qui allaitent ne devraient pas consommer de cannabis car le THC traverse la barrière hémato-placentaire, en outre, il se concentre dans le lait maternel. La période de la vie la plus sensible aux effets néfastes du cannabis correspond à celle allant du foetus à l'adolescent. Le système endocannabinoïde sur lequel agit le THC serait en effet un acteur majeur orchestrant le développement des réseaux neuronaux dans le cerveau immature. La prise concomitante d'autres psychotropes comme l'alcool, les benzodiazépines ou la cocaïne conduit à des renforcements mutuels de leurs effets délétères. De plus, il a été montré l'existence d'une sensibilité croisée pour la majorité des psychotropes qui agissent sur le système de la récompense, le cannabis y compris, ce qui augmente ainsi le risque de pharmacodépendance. La prise régulière de doses élevées de cannabis entraîne l'apparition d'une tolérance et de symptômes de sevrage discrets à l'arrêt de la consommation. À part les effets négatifs mentionnés auparavant, le cannabis possède des propriétés médicales originales qui sont l'objet d'études attentives. Plusieurs cannabinoïdes mineurs naturels ou synthétiques, comme l'acide ajulémique, pourraient trouver un jour une place dans la pharmacopée. En usage thérapeutique, des variétés particulières de cannabis sont préférées, par exemple celles riches en cannabidiol non psychoactif. Le mode d'administration diffère de celui utilisé en mode récréatif. Par exemple, la vaporisation des cannabinoïdes à basse température est préférée à l'inhalation du « joint »

Blunting the response to endotoxin in healthy sujects : effects of various dose of intravenous fish oil

Enjeux et contexte La recherche de cette dernière décennie sur les acides gras n-3 PUFA contenus dans l'huile de poisson a montré que ceux-ci, et particulièrement l'ΕΡΑ et le DHA, avaient des propriétés anti¬inflammatoires et anti arythmiques puissantes, potentiellement utiles chez les septiques et « cardiaques ». Les mécanismes sous-jacents sont nombreux, incluant l'incorporation des acides gras dans les membranes de phopholipides, la réduction de la production de médiateurs pro-inflammatoires (prostaglandines, leukotrienes, thromboxane), l'augmentation de la production de résolvines et protectines dérivées du DHA, et la régulation de voies de signalisation cellulaire. Cependant, les doses de n-3 PUFA utilisées dans les études cliniques et chez le sujet sain avant le travail de Yann-Karim Pittet étaient nettement supérieures aux doses nutritionnelles de l'ordre de 5-8 g/j par voie orale ou 1 g/kg par voie intraveineuse. De plus, la voie entérale avait la réputation de nécessiter plusieurs jours à semaines de traitement avant d'aboutir à une incorporation d'acides gras membranaire suffisante pour avoir un impact clinique; quant au temps minimal requis pour obtenir cet effet par voie IV, il était inconnu. Depuis, le développement d'émulsions lipidiques intraveineuses destinées à la nutrition parentérale a permis d'imaginer l'administration de prétraitements IV rapides. Pour les étudier, notre laboratoire a développé un modèle d'endotoxine (LPS d'E.Coli) qui mime les réponses physiologique, endocrinienne et biologique du sepsis chez le sujet sain, utilisant des doses de 2 ng/kg IV. Les réponses sont totalement réversibles en 8 heures. Dans le but de réduire à la fois la dose de lipides et le temps de perfusion, ce travail a étudié l'influence de 3 doses dégressives de n-3 PUFA sur les réponses à l'endotoxine, et sur l'incorporation membranaire de ces acides gras. Méthodes Etude prospective chez 3 groupes consécutifs de sujets sains soumis à un challenge d'endotoxine. Intervention : perfusions d'huile de poisson (0.5 et 0.2 g/kg de n-3 PUFA, Omegaven® 10%) ou placebo, administrées en 3 heures ou en 1 heure, soit le jour avant ou le jour-même du test d'endotoxine. Mesures : variables physiologiques (T°, fc, tension artérielle, calorimétrie indirecte) Laboratoire - prises de sang à T0, 60, 120 et 360 min après l'injection de LPS: TNF-α, hs-CRP, hormones de stress, composition en acides gras des membranes plaquettaires. Statistiques Les résultats ont été rapportés en moyennes et écarts types. Des aires sous la courbe (AUC) ont été calculées avec la méthode des parallélépipèdes pour toutes les variables déterminées de manière répétée. L'effet du temps a été exploré par des two-way ANOVA pour mesures répétées. Les comparaisons post-hoc ont été réalisées avec des tests de Dunnett's ou de Scheffe. Les modifications de composition membranaires ainsi que les AUC ont été analysées par des tests non-paramétriques (Kruskal-Wallis). Résultats Après LPS, la température, les concentrations d'ACTH et TNF-α ont augmenté dans les 3 groupes. Ces réponse ont été significativement atténuées (p<0.0001) par l'huile de poisson comparé à ce que nous avions observé dans le groupe contrôle de Pluess et al (ICM 2007). Les concentrations les plus faibles d'ACTH, de TNF-α, et les AUC les plus basses des températures, ont été observées après une dose unique de 0.2 g/kg de n-3 PUFA administrée 1 heure avant le LPS. Par contre, l'incorporation membranaire d'EPA est dose-dépendante. Conclusions Sachant que la réponse à l'endotoxine est reproductible, cette étude montre que 3 doses différentes d'huile de poisson atténuent de manière différente cette réponse. La perfusion de 0.2 g/kg administrée juste avant l'endotoxine s'est avérée la plus efficace à atténuer la réponse fébrile, les cytokines et les hormones de stress, suggérant une capture de l'endotoxine par l'émulsion lipidique qui se surajoute aux effets systémiques et membranaires.

Concrete Pavement Mixture Design and Analysis (MDA): Evaluation of Foam Drainage Test to Measure Air Void Stability in Concrete

The stability of air bubbles in fresh concrete can have a profound influence of the potential durability of the system, because excessive losses during placement and consolidation can compromise the ability of the mixture to resist freezing and thawing. The stability of air void systems developed by some air entraining admixtures (AEAs) could be affected by the presence of some polycarboxylate-based water reducing admixtures (WRAs). The foam drainage test provides a means of measuring the potential stability of air bubbles in a paste. A barrier to acceptance of the test was that there was little investigation of the correlation with field performance. The work reported here was a limited exercise seeking to observe the stability of a range of currently available AEA/WRA combinations in the foam drainage test; then, to take the best and the worst and observe their stabilities on concrete mixtures in the lab. Based on the data collected, the foam drainage test appears to identify stable combinations of AEA and WRA.

Development of a Conductometric Test for Frost Resistance of Concrete, HR-272, Phase II, 1986

The purpose of this report is to describe the major research activities during the period of February 1, 1985 - October 30, 1986 for the Iowa Highway Research Board under the research contract entitled "Development of a Conductometric Test for Frost Resistance of Concrete." The objective of this research, as stated in the project proposal, is to develop a test method which can be reasonably rapidly performed in the laboratory and in the field to predict the behavior of concrete subjected to the action of alternate freezing and thawing with a high degree of certainty. In the work plan of the proposal it was stated that the early part of the first year would be devoted to construction of testing equipment and preparation of specimens and the remainder of the year would be devoted to the testing of specimens. It was also stated that the second and third years would be devoted to performance and refinements of tests, data analysis, preparation of suggested specifications, and performance of tests covering variables which need to be studied such as types of aggregates, fly ash replacements and other admixtures. The objective of this report is to describe the progress made during the first 20 months of this project and assess the significance of the results obtained thus far and the expected significance of the results obtainable during the third year of the project.

Late Cretaceous to Eocene geology of the South Central American forearc area (southern Costa Rica and western Panama) : initiation and evolution of an intra-oceanic convergent margin

Résumé : L'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale se situe sur la marge SW de la Plaque Caraïbe, au-dessus des plaques subduites de Cocos et Nazca. Il s'agit de l'un des arcs intra-océaniques les plus étudiés au monde, qui est généralement considéré comme s'étant développé à la fin du Crétacé le long d'un plateau océanique (le Plateau Caraïbe ou CLIP) et se trouvant actuellement dans un régime de subduction érosive. Au cours des dernières décennies, des efforts particuliers ont été faits pour comprendre les processus liés à la subduction sur la base d'études géophysiques et géochimiques. Au sud du Costa Rica et à l'ouest du Panama, des complexes d'accrétions et structures à la base de l'arc volcanique ont été exposés grâce à la subduction de rides asismiques et de failles transformantes. Des affleurements, situés jusqu'à seulement 15 km de la fosse, offrent une possibilité unique de mieux comprendre quelques uns des processus ayant lieu le long de la zone de subduction. Nous présentons de nouvelles contraintes sur l'origine de ces affleurements en alliant une étude de terrain poussée, de nouvelles données géochimiques, sédimentaires et paléontologiques, ainsi que des observations structurales effectuées en télédétection. Une nouvelle stratigraphie tectonique entre le Campanien et l'Éocène est définie pour la région d'avant-arc située entre la Péninsule d'Osa (Costa Rica) et la Péninsule d'Azuero (Panama). Nos résultats montrent que la partie externe de la marge est composée d'un arrangement complexe de roches ignées et de séquences sédimentaires de recouvrement qui comprennent principalement le socle de l'arc, des roches d'arc primitif, des fragments de monts sous-marins accrétés et des mélanges d'accrétion. Des preuves sont données pour le développement de l'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale sur un plateau océanique. Le début de la subduction le long de la marge SW de la Plaque Caraïbe a eu lieu au Campanien et a généré des roches d'arc primitif caractérisées par des affinités géochimiques particulières, globalement intermédiaires entre des affinités de plateau et d'arc insulaire. L'arc était mature au Maastrichtien et formait un isthme essentiellement continu entre l'Amérique du Nord et l'Amérique du Sud. Ceci a permis la migration de faunes terrestres entre les Amériques et pourrait avoir contribué à la crise fin Crétacé -Tertiaire en réduisant les courants océaniques subéquatoriaux entre le Pacifique et l'Atlantique. Plusieurs unités composées de fragments de monts sous-marins accrétés sont définies. La nature et l'arrangement structural de ces unités définissent de nouvelles contraintes sur les modes d'accrétion des monts sous-marins/îles océaniques et sur l'évolution de la marge depuis la formation de la zone de subduction. Entre la fin du Crétacé et l'Éocène moyen, la marge a enregistré plusieurs épisodes ponctuels d'accrétion de monts sous-marins alternant avec de la subduction érosive. A l'Éocène moyen, un événement tectonique régional pourrait avoir causé un fort couplage entre les plaques supérieure et inférieure, menant à des taux plus important d'accrétion de monts sous-marins. Durant cette période, la situation le long de la marge était très semblable à la situation actuelle et caractérisée par la présence de monts sous-marins subductants et l'absence d'accrétion de sédiments. L'enregistrement géologique montre qu'il n'est pas possible d'attribuer une nature érosive ou accrétionnaire à la marge dans le passé ou -par analogie- aujourd'hui, parce que (1) les processus d'accrétion et érosifs varient fortement spatialement et temporellement et (2) il est impossible d'évaluer la quantité exacte de matériel tectoniquement enlevé à la marge depuis le début de la subduction. Au sud du Costa Rica, certains fragments de monts sous-marins accrétés sont représentatifs d'une interaction entre une ride et un point chaud dans le Pacifique au Crétacé terminal/Paléocène. L'existence de ces fragments de monts sous-marins et la morphologie du fond de l'Océan Pacifique indiquent que la formation de la ride de Cocos-Nazca s'est formée au moins ~40 Ma avant l'âge proposé par les modèles tectoniques actuels. Au Panama, nous avons identifié une île océanique d'âge début Éocène qui a été accrétée à l'Éocène moyen. L'accrétion a eu lieu à très faible profondeur par détachement de l'île dans la fosse, et a mené à une exceptionnelle préservation des structures volcaniques. Des affleurement comprenant aussi bien des parties basses et hautes de l'édifice volcanique on été étudiées, depuis la phase sous-marine bouclier jusqu'à la phase subaérienne post-bouclier. La stratigraphie nous a permis de différencier les laves de la phase sous-marine de celles de la phase subaérienne. La composition des laves indique une diminution progressive de l'intensité de la fusion partielle de la source et une diminution de la température des laves produites durant les derniers stades de l'activité volcanique. Nous interprétons ces changements comme étant liés à l'éloignement progressif de l'île océanique de la zone de fusion ou point chaud. Abstract The southern Central American volcanic front lies on the SW edge of the Caribbean Plate, inboard of the subducting Cocos and Nazca Plates. It is one of the most studied intra-oceanic convergent margins around the world, which is generally interpreted to have developed in the late Cretaceous along an oceanic plateau (the Caribbean Large Igneous Province or CLIP) and to be currently undergoing a regime of subduction erosion. In the last decades a particular effort has been made to understand subduction-related processes on the basis of geophysical and geochemical studies. In southern Costa Rica and western Panama accretionary complexes and structures at the base of the volcanic front have been exposed in response to subduction of aseismic ridges and transforms. Onland exposures are located as close as to 15 km from the trench and provide a unique opportunity to better understand some of the processes occurring along the subduction zone. We provide new constraints on the origins of these exposures by integrating a comprehensive field work, new geochemical, sedimentary and paleontological data, as well as structural observations based on remote imaging. A new Campanian to Eocene tectonostratigraphy is defined for the forearc area located between the Osa Peninsula (Costa Rica) and the Azuero Peninsula (Panama). Our results show that the outer margin is composed of a complicated arrangement of igneous complexes and overlapping sedimentary sequences that essentially comprise an arc basement, primitive island-arc rocks, accreted seamount fragments and accretionary mélanges. Evidences are provided for the development of the southern Central American arc on the top an oceanic plateau. The subduction initiation along the SW edge of the Caribbean Plate occurred in the Campanian and led to formation of primitive island-arc rocks characterized by unusual geochemical affinities broadly intermediate between plateau and arc affinities. The arc was mature in the Maastrichtian and was forming a predominantly continuous landbridge between the North and South Americas. This allowed migration of terrestrial fauna between the Americas and may have contributed to the Cretaceous-Tertiary crisis by limiting trans-equatorial oceanic currents between the Pacific and the Atlantic. Several units composed of accreted seamount fragments are defined. The nature of the units and their structural arrangement provide new constraints on the modes of accretion of seamounts/oceanic islands and on the evolution of the margin since subduction initiation. Between the late Cretaceous and the middle Eocene, the margin recorded several local episodes of seamount accretion alternating with tectonic erosion. In the middle Eocene a regional tectonic event may have triggered strong coupling between the overriding and subducting plates, leading to higher rates of seamount accretion. During this period the situation along the margin was very similar to the present and characterized by subducting seamounts and absence of sediment accretion. The geological record shows that it is not possible to ascribe an overall erosive or accretionary nature to the margin in the past and, by analogy, today, because (1) accretionary and erosive processes exhibit significant lateral and temporal variations and (2) it is impossible to estimate the exact amount of material tectonically eroded from the margin since subduction initiation. In southern Costa Rica, accreted seamount fragments point toward a plume-ridge interaction in the Pacific in the late Cretaceous/Paleocene. This occurrence of accreted seamount fragments and morphology of the Pacific Ocean floor is indicative of the formation of the Cocos-Nazca spreading system at least ~40 Ma prior to the age proposed in current tectonic models. In Panama, we identified a remarkably-well preserved early Eocene oceanic island that accreted in the middle Eocene. The accretion probably occurred at very shallow depth by detachment of the island in the trench and led to an exceptional preservation of the volcanic structures. Exposures of both deep and superficial parts of the volcanic edifice have been studied, from the submarine-shield to subaerial-postshield stages. The stratigraphy allowed us to distinguish lavas produced during the submarine and subaerial stages. The lava compositions likely define a progressive diminution of source melting and a decrease in the temperature of erupted melts in the latest stages of volcanic activity. We interpret these changes to primarily reflect the progressive migration of the oceanic island out of the melting region or hotspot.

Factors Relating to Aggregate Durability in Portland Cement Concrete, HR-2022, Interim Report, 1983

Over the past several years we conducted a comprehensive study on the pore systems of limestones used as coarse aggregate in portland cement concrete (pee) and their relationship to freeze-thaw aggregate failure. A simple test called the Iowa Pore Index Test was developed and used to identify those coarse aggregates that had freeze-thaw susceptible pore systems. Basically, it identified those aggregates that could take on a considerable amount of water but only at a slow rate. The assumption was that if an aggregate would take on a considerable amount of water at a slow rate, its pore system would impede the outward movement of water through a critically saturated particle during freezing, causing particle fracture. The test was quite successful when used to identify aggregates containing susceptible pore systems if the aggregates were clean carbonates containing less than 2% or 3% insolubles. The correlation between service record, ASTM C666B and the pore index test was good, but not good enough. It became apparent over the past year that there were factors other than the pore system that could cause an aggregate to fail when used in pee. The role that silica and clay play in aggregate durability was studied.

Applications for Reuse of Lime Sludge from Water Softening, TR-535, 2005

Lime sludge, an inert material mostly composed of calcium carbonate, is the result of softening hard water for distribution as drinking water. A large city such as Des Moines, Iowa, produces about 30,700 tons of lime sludge (dry weight basis) annually (Jones et al., 2005). Eight Iowa cities representing, according to the United States (U.S.) Census Bureau, 23% of the state’s population of 3 million, were surveyed. They estimated that they collectively produce 64,470 tons of lime sludge (dry weight basis) per year, and they currently have 371,800 tons (dry weight basis) stockpiled. Recently, the Iowa Department of Natural Resources directed those cities using lime softening in drinking water treatment to stop digging new lagoons to dispose of lime sludge. Five Iowa cities with stockpiles of lime sludge funded this research. The research goal was to find useful and economical alternatives for the use of lime sludge. Feasibility studies tested the efficacy of using lime sludge in cement production, power plant SOx treatment, dust control on gravel roads, wastewater neutralization, and in-fill materials for road construction. Applications using lime sludge in cement production, power plant SOx treatment, and wastewater neutralization, and as a fill material for road construction showed positive results, but the dust control application did not. Since the fill material application showed the most promise in accomplishing the project’s goal within the time limits of this research project, it was chosen for further investigation. Lime sludge is classified as inorganic silt with low plasticity. Since it only has an unconfined compressive strength of approximately 110 kPa, mixtures with fly ash and cement were developed to obtain higher strengths. When fly ash was added at a rate of 50% of the dry weight of the lime sludge, the unconfined strength increased to 1600 kPa. Further, friction angles and California Bearing Ratios were higher than those published for soils of the same classification. However, the mixtures do not perform well in durability tests. The mixtures tested did not survive 12 cycles of freezing and thawing and wetting and drying without excessive mass and volume loss. Thus, these mixtures must be placed at depths below the freezing line in the soil profile. The results demonstrated that chemically stabilized lime sludge is able to contribute bulk volume to embankments in road construction projects.

Fly Ash Soil Stabilization for Non-Uniform Subgrade Soils, Volume I: Engineering Properties and Construction Guidelines, TR-461, 2005

Soil treated with self-cementing fly ash is increasingly being used in Iowa to stabilize fine-grained pavement subgrades, but without a complete understanding of the short- and long-term behavior. To develop a broader understanding of fly ash engineering properties, mixtures of five different soil types, ranging from ML to CH, and several different fly ash sources (including hydrated and conditioned fly ashes) were evaluated. Results show that soil compaction characteristics, compressive strength, wet/dry durability, freeze/thaw durability, hydration characteristics, rate of strength gain, and plasticity characteristics are all affected by the addition of fly ash. Specifically, Iowa selfcementing fly ashes are effective at stabilizing fine-grained Iowa soils for earthwork and paving operations; fly ash increases compacted dry density and reduces the optimum moisture content; strength gain in soil-fly ash mixtures depends on cure time and temperature, compaction energy, and compaction delay; sulfur contents can form expansive minerals in soil–fly ash mixtures, which severely reduces the long-term strength and durability; fly ash increases the California bearing ratio of fine-grained soil–fly ash effectively dries wet soils and provides an initial rapid strength gain; fly ash decreases swell potential of expansive soils; soil-fly ash mixtures cured below freezing temperatures and then soaked in water are highly susceptible to slaking and strength loss; soil stabilized with fly ash exhibits increased freeze-thaw durability; soil strength can be increased with the addition of hydrated fly ash and conditioned fly ash, but at higher rates and not as effectively as self-cementing fly ash. Based on the results of this study, three proposed specifications were developed for the use of self-cementing fly ash, hydrated fly ash, and conditioned fly ash. The specifications describe laboratory evaluation, field placement, moisture conditioning, compaction, quality control testing procedures, and basis of payment.

Evaluation of Deicing Materials and Corrosion Reducing Treatments for Deicing Salts, TR-471, 2007

Effective winter maintenance makes use of freezing-point-depressant chemicals (also known as ice-control products) to prevent the formation of the bond between snow and ice and the highway pavement. In performing such winter maintenance, the selection of appropriate ice-control products for the bond prevention task involves consideration of a number of factors, as indicated in Nixon and Williams (2001). The factors are in essence performance measurements of the ice-control products, and as such can be easily incorporated into a specification document to allow for selection of the best ice-control products for a given agency to use in its winter maintenance activities. Once performance measures for de-icing or anti-icing chemicals have been specified, this allows the creation of a quality control program for the acceptance of those chemicals. This study presents a series of performance measurement tests for ice-control products, and discusses the role that they can play in such a quality control program. Some tests are simple and rapid enough that they can be performed on every load of icecontrol products received, while for others, a sampling technique must be used. An appropriate sampling technique is presented. Further, each test is categorized as to whether it should be applied to every load of ice-control products or on a sampling basis. The study includes a detailed literature review that considers the performance of ice-control products in three areas: temperature related performance, product consistency, and negative side effects. The negative side effects are further broken down into three areas, namely operational side effects (such as chemical slipperiness), environmental side effects, and infrastructural side effects (such as corrosion of vehicles and damage to concrete). The review indicated that in the area of side effects the field performance of ice-control products is currently so difficult to model in the laboratory that no particular specification tests can be recommended at this time. A study of the impact of ice-control products on concrete was performed by Professor Wang of Iowa State University as a sub-contract to this study, and has been presented to the Iowa Highway Research Board prior to this report.

Economics of Using Calcium Chloride vs. Sodium Chloride for Deicing/Anti-Icing, TR-488, 2008

The use of chemicals is a critical part of a pro-active winter maintenance program. However, ensuring that the correct chemicals are used is a challenge. On the one hand, budgets are limited, and thus price of chemicals is a major concern. On the other, performance of chemicals, especially at lower pavement temperatures, is not always assured. Two chemicals that are used extensively by the Iowa Department of Transportation (Iowa DOT) are sodium chloride (or salt) and calcium chloride. While calcium chloride can be effective at much lower temperatures than salt, it is also considerably more expensive. Costs for a gallon of salt brine are typically in the range of $0.05 to $0.10, whereas calcium chloride brine may cost in the range of $1.00 or more per gallon. These costs are of course subject to market forces and will thus change from year to year. The idea of mixing different winter maintenance chemicals is by no means new, and in general discussions it appears that many winter maintenance personnel have from time to time mixed up a jar of chemicals and done some work around the yard to see whether or not their new mix “works.” There are many stories about the mixture turning to “mayonnaise” (or, more colorfully, to “snot”) suggesting that mixing chemicals may give rise to some problems most likely due to precipitation. Further, the question of what constitutes a mixture “working” in this context is a topic of considerable discussion. In this study, mixtures of salt brine and calcium chloride brine were examined to determine their ice melting capability and their freezing point. Using the results from these tests, a linear interpolation model of the ice melting capability of mixtures of the two brines has been developed. Using a criterion based upon the ability of the mixture to melt a certain thickness of ice or snow (expressed as a thickness of melt-water equivalent), the model was extended to develop a material cost per lane mile for the full range of possible mixtures as a function of temperature. This allowed for a comparison of the performance of the various mixtures. From the point of view of melting capacity, mixing calcium chloride brine with salt brine appears to be effective only at very low temperatures (around 0° F and below). However, the approach described herein only considers the material costs, and does not consider application costs or other aspects of the mixture performance than melting capacity. While a unit quantity of calcium chloride is considerably more expensive than a unit quantity of sodium chloride, it also melts considerably more ice. In other words, to achieve the same result, much less calcium chloride brine is required than sodium chloride brine. This is important in considering application costs, because it means that a single application vehicle (for example, a brine dispensing trailer towed behind a snowplow) can cover many more lane miles with calcium chloride brine than with salt brine before needing to refill. Calculating exactly how much could be saved in application costs requires an optimization of routes used in the application of liquids in anti-icing, which is beyond the scope of the current study. However, this may be an area that agencies wish to pursue for future investigation. In discussion with winter maintenance personnel who use mixtures of sodium chloride and calcium chloride, it is evident that one reason for this is because the mixture is much more persistent (i.e. it stays longer on the road surface) than straight salt brine. Operationally this persistence is very valuable, but at present there are not any established methods to measure the persistence of a chemical on a pavement. In conclusion, the study presents a method that allows an agency to determine the material costs of using various mixtures of salt brine and calcium chloride brine. The method is based upon the requirement of melting a certain quantity of snow or ice at the ice-pavement interface, and on how much of a chemical or of a mixture of chemicals is required to do that.

Low-Cost Rural Surface Alternatives: Demonstration Project, TR-664, 2015

The goals of this project were to implement several stabilization methods for preventing or mitigating freeze-thaw damage to granular surfaced roads and identify the most effective and economical methods for the soil and climate conditions of Iowa. Several methods and technologies identified as potentially suitable for Iowa were selected from an extensive analysis of existing literature provided with Iowa Highway Research Board (IHRB) Project TR-632. Using the selected methods, demonstration sections were constructed in Hamilton County on a heavily traveled two-mile section of granular surfaced road that required frequent maintenance during previous thawing periods. Construction procedures and costs of the demonstration sections were documented, and subsequent maintenance requirements were tabulated through two seasonal freeze-thaw periods. Extensive laboratory and field tests were performed prior to construction, as well as before and after the two seasonal freeze-thaw periods, to monitor the performance of the demonstration sections. A weather station was installed at the project site and temperature sensors were embedded in the subgrade to monitor ground temperatures up to a depth of 5 ft and determine the duration and depths of ground freezing and thawing. An economic analysis was performed using the documented construction and maintenance costs, and the estimated cumulative costs per square yard were projected over a 20-year timeframe to determine break-even periods relative to the cost of continuing current maintenance practices. Overall, the sections with biaxial geogrid or macadam base courses had the best observed freeze-thaw performance in this study. These two stabilization methods have larger initial costs and longer break-even periods than aggregate columns, but counties should also weigh the benefits of improved ride quality and savings that these solutions can provide as excellent foundations for future paving or surface upgrades.

Mesozoic oceanic terranes of southern Central America : geology, geochemistry and gedynamics

Abstract The Northwestern edge of the modern Caribbean Plate, located in central Middle America (S-Guatemala to N-Costa Rica), is characterized by a puzzle of oceanic and continental terranes that belonged originally to the Pacific façade of North America. South of the Motagua Fault Zone, the actual northern strike slip boundary of the Caribbean Plate, three continental slivers (Copán, Chortis s. str. and Patuca) are sandwiched between two complex suture zones that contain HP/LT mafic and ultramafic oceanic rocks: The Motagua Mélanges to the North, extensively studied in the last ten years and the' newly defined Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT) to the South. No modem geological data were available for the oceanic terrane located in the southern part of the so called continental "Chortis Block". Classically, the southern limit of this block with the Caribbean Large Igneous Province (CLIP) was placed at a hypothetical fault line connecting the main E-W fault in the Santa Elena Peninsula (N-Costa Rica) with the Hess Escarpment. However, our study in eastern Nicaragua and northwestern Costa Rica evidences an extensive assemblage of oceanic upper mantle and crustal rocks outcropping between the Chortis/Patuca continental blocks and the CLIP. They comprise collided and accreted exotic terranes of Pacific origin recording a polyphased tectonic history. We distinguish: 1- The MCOT that comprises a Late Triassic to Early Cretaceous puzzle of oceanic crust and arc-derived rocks set in a serpentinite matrix, and 2- The Manzanillo and Nicoya Terranes that are made of Cretaceous plateau-like rocks associated with oceanic sediments older than the CLIP. This study has been focused on the rocks of the MCOT. The MCOT comprises the southern half of the former "Chortis Block" and is defined by 4 comer localities characterized by ultramafic and mafic oceanic rocks of Late Triassic, Jurassic and Early Cretaceous age: 1- The Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- The El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- DSDP Legs 67 and 84 (Guatemala fore-arc basin), and 4- The Santa Elena Peridiotite (NW-Costa Rica). The Siuna Serpentinite Mélange (SSM) is a HP/LT subduction zone mélange set in a serpentinite matrix that contains oceanic crust and arc-related greenschist to blueschist/eclogite facies metamafic and metasedimentary blocks. Middle Jurassic (Bajocian-Bathonian) radiolarites are found in original sedimentary contact with arc-derived greenstones. Late Jurassic black detrital chert possibly formed in a marginal (fore-arc?) basin shortly before subduction. A phengite 40Ar/39Ar -cooling age dates the exhumation of the high pressure rocks as 139 Ma. The El Castillo Mélange (ECM) is composed of serpentinite matrix with OIB metabasalts and Late Triassic (Rhaetian) red and green radiolarite blocks. Recent studies of the DSDP Legs 67/84 show that the Guatemala/Nicaragua fore-arc basin is composed of a pile of ultramafic, mafic (OIB-like) and arc related rocks with ages ranging from Late Triassic to Campanian. Finally, the Santa Elena peridiotites that mark the limit of the MCOT with the Manzanillo/Nicoya Terranes and correspond to an association of ultramafic rocks that comprise peridiotites, dunites and chromites of abyssal and fore-arc origin. The SSM is the result of a collision between a Middle Jurassic island arc and the Patuca Terrane, a fragment of the Western N-American active continental margin. The Siuna Mélange (SSM) and the South Montagna Mélange share common characteristics with the Pacific N-American suture zone (E-Franciscan and Vizcaino mélanges), in particular, the Mesozoic ages of HP/LT metamorphic and the arc-derived blocks. For us, these mélanges imply an originally continuous, but slightly diachronous suture that affected the entire W-American active margin. It may imply the arrival and collision of an exotic intraoceanic arc (Guerrero-Phoenix) related to the origin of the Pacific Plate that initiated as a back arc basin of this arc. The present disposition of the fragments of this suture zone is the result of a northward shift of the active left-lateral strike slip motion between the N-American and the Caribbean Plates. Résumé Le coin nord-ouest de la Plaque Caraïbe moderne se trouve en Amérique Centrale, entre le sud du Guatemala et le nord du Costa Rica. Cette région est composée d'un puzzle de terrains océaniques et continentaux dont les origines se situent sur la façade pacifique de l'Amérique du Nord. Au sud de la faille de Motagua, la limite septentrionale actuelle, décrochante, de la Plaque Caraïbe, se trouvent 3 copeaux continentaux (Copàn, Chortis s. str. et Patuca) coincés entre deux zones de suture complexes à roches mafiques et ultramafiques qui ont subi un métamorphisme de haute pression/basse température (HP/LT). Il s'agit des Mélanges de Motagua au nord, largement étudiés ces dernières années, et du Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT), récemment défini par nous, au sud. En vue de l'absence de données géologiques modernes concernant les terrains océaniques qui se trouvent dans la partie sud du "Chortis Block" considérée comme continentale, nous avons dédié cette étude à cette région. Classiquement, la limite méridionale entre le "Chortis Block" et la "Caribbean Large Igneous Province" (CLIP) a été associée à une faille hypothétique reliant la faille E-W de Santa Elena (nord du Costa Rica) à l'Escarpement de Hess. Notre étude au Nicaragua oriental et au Costa Rica nord-occidental a révélé l'existence de larges terrains composés d'assemblages de roches mantéliques et océaniques qui se placent entre les blocs continentaux Chortis/Patuca et le CLIP. Ces assemblages révèlent des terrains collisionnés et accrétés d'origine pacifique enregistrant une histoire tectonique polyphasée. Nous distinguons: 1- Le MCOT, un puzzle de roches océaniques d'arc d'âge Triassique supérieur au Crétacée inférieur, 2- Les terrains de Manzanillo et de Nicoya, des morceaux de plateaux océaniques associés à des sédiments océaniques plus âgés que le CLIP. Cette étude se focalisera sur les roches du MCOT. Le MCOT occupe la moitié sud de l'ancien "Chortis Block" et peut se définir par 4 localités de référence qui montrent des roches mafiques et ultramafiques océaniques d'âges compris entre le Trias supérieur et le Crétacée inférieur. 1- Le Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- Le El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- Le DSDP Legs 67/84 (Guatemala fore-arc basin) et 4- La Santa Elena Peridiotite (nord-ouest du Costa Rica). Le Siuna Serpentinite Mélange (SSM) est un mélange de subduction HP/BT dans une matrice de serpentinite. On y trouve des éléments de croûte océanique et d'arc insulaire en faciès de schistes verts et schistes bleus. Des radiolarites du Jurassique moyen se trouvent en contact sédimentaire sur des roches vertes d'arc. En revanche, des cherts noirs détritiques datent du Jurassique supérieur et sont probablement issus d'un bassin marginal (fore-arc ?) peu avant leur subduction, car un âge 40Ar/39Ar de refroidissement des phengites date l'exhumation des roches de haute pression à 139 Ma. Le Mélange d'El Castillo (ECM) est constitué d'une matrice serpentinitique et contient des blocs de metabasaltes OIB et des blocs de radiolarites du Trias terminal. Des études récentes ont repris les roches forées lors des DSDP Legs 67 et 84 et montrent que le soubassement du bassin d'avant-arc du Guatemala-Nicaragua est composé de roches ultramafiques et mafiques (OIB et arc), dont les âges isotopiques vont du Trias au Crétacé supérieur. Finalement, les péridiotites de Santa Elena forment la limite sud du MCOT par rapport aux terrains de Manzanillo et Nicoya. Elles contiennent des serpentinites et localement des dunites et chromites à affinité abyssale et de fore-arc. Le SSM témoigne d'une collision entre un arc insulaire d'âge Jurassique moyen et le Patuca Terrane, un fragment de la marge active nord-américaine. Le SSM et le South Motagua Mélange ont des caractéristiques en commun avec les zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord (E-Franciscan et Vizcaino mélanges), notamment les âges Mésozoïques du métamorphisme HP/BT et les blocs de roches d'arc. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine, mais légèrement diachrone. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc intraocéanique exotique (Guerrero-Phoenix) qui est à l'origine de la Plaque Pacifique qui s'ouvrait en back arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe. K. Flores, 2009 Mesozoic oceanic terranes of southern central America Résumé Grand Public La présente thèse est le résultat de travaux de terrain effectués de 2005 à 2008 au nord-est et au sud du Nicaragua et au nord du Costa Rica, en Amérique Centrale, des analyses pétrologiques et géochimiques en laboratoire ainsi que de la modélisation de l'évolution géodynamique. La région étudiée se situe en bordure nord - ouest de la Plaque Caraïbe moderne. Dans la majorité des publications récentes cette région est représentée comme un vaste bloc continental (le "Bloc Chortis") qui serait limité, (i) au nord, par la faille décrochante de Motagua, la limite actuelle entre la Plaque Nord-Américaine et la Plaque Caraïbe, et (ii) au sud, par une suture hypothétique qui se trouverait aux confins entre le Nicaragua et le Costa Rica. La région du Costa Rica a été considérée presque entièrement comme une partie du Plateau Caraïbe ("Caribbean Large Igneous Province" (CLIP)). L'étude détaillée des affleurements nous a permis de mettre en évidence : - Au nord-est du Nicaragua (Siuna) : Des roches océaniques datées du Jurassique moyen, grâce aux faunes à radiolaires qui ont été extraites des radiolarites rouges. Ces roches ont subi un métamorphisme de haute pression typique des zones de collision. L'étude radio-isotopique Ar/Ar a permis de dater la collision du Crétacé basal (139 Ma). - Au sud du Nicaragua : Des roches océaniques d'âge Trias terminal (200 millions d'années), également datées à l'aide de faunes à radiolaires. Il s'agit actuellement des roches océaniques les plus anciennes connues de l'Amérique Centrale. - L'étude géochimique et les âges des fossiles démontrent que le tiers septentrional du Costa Rica possède un soubassement construit d'au moins deux terrains (Nicoya et Manzanillo), qui ont des caractéristiques de Plateau océanique (Nicoya) et d'arc volcanique du Crétacé moyen (Manzanillo). Ces deux terrains sont plus anciens que le CLIP. En conclusion, nous constatons que la région étudiée est constituée d'un puzzle de 3 blocs continentaux et d'un vaste terrain océanique composite que nous appelons Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT). En plus, nous définissons les terrains de Nicoya et de Manzanillo comme plus âgés et distincts du CLIP. Le MCOT est caractérisé par la présence de roches du manteau supérieur (les serpentinites) et de la croûte océanique, ainsi que des morceaux d'arcs, d'âge allant du Trias supérieur au Crétacé. Ce terrain est comparable à d'autres zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord, notamment en ce qui concerne les âges Mésozoïques, le métamorphisme de haute pression et l'association de roches mantéliques et crustales océaniques. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc infra-océanique exotique qui serait à l'origine de la Plaque Pacifique qui se serait ouverte en bassin d'arrière arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe.

Origin of needle fibre calcite (NFC) : a geochemical approach

ABSTRACTNeedle fibre calcite (NFC) is one of the most widespread habits of pedogenic calcite. It is a monocrystal of calcite, in the shape of a needle, with a diameter of one micron and a length between 4 and 103 times its width. NFC occurs in soils with different macroscopic and microscopic morphologies. Macroscopically, two main habits of NFC exist: "cotton ball'Mike clusters and as "powder" coating on pebbles inside the soil. It can also act as nucleation sites for precipitation of calcite cements of purely physicochemical origin (LCC - Late Calcitic Cement). Although many studies have been conducted on needle fibre calcite, its origin remains a subject of debate. The NFC having never been reproduced in the laboratory whatever the considered approach, the processes responsible for its precipitation as a so particular morphology remain unexplained. The shift between the length orientation of the needle crystal and the normal axis of calcite growth (c-axis) is also unresolved.Samples taken in two soils observed in quarries (Villiers and Savagnier) in the Swiss Jura Mountains are used to investigate the processes involved in the formation of these calcite crystals in pedogenic environments. Three groups of microscopic morphologies are distinguished: (i) simple needles (SN), (ii) simple needles with overgrowths (SNO), and (iii) simple needles with nanofibres (SNN), nanofibres being either organic or mineral in nature. These groups correspond to different stages in the formation and evolution of NFC.Comparison of carbon and oxygen isotope compositions of NFC with LCC, in relationship with the composition of the carbonate host rock (CHR), and the carbon isotope signature of dissolved inorganic carbon (DIC) from the soil waters, indicates that both NFC and LCC are precipitated in isotopic equilibrium with the soil solution. Similar Ô13C and Ô180 values of the elongated NFC and the rhombohedral calcite crystals of the LCC suggest that the precipitation of these different calcite habits is not due to changes in physicochemical conditions. The growth of NFC crystals inside an organic mould formed by the fungal hyphae could explain the formation of calcite ciystals in the shape of a needle in isotopic equilibrium with the local environment.Strontium and calcium isotope compositions of the three microscopic groups of NFC and LCC were also studied, in order to determine the origin of calcium (Ca2+) entrapped in the calcite lattice and to elucidate the processes responsible for the precipitation of NFC. The 87Sr/86Sr ratio of the SN is closer to the 87Sr/86Sr ratio of the carbonate host rock than the LCC, SNO, and SNN. This could be another clue for the formation of SN inside fungal hyphae, because fungi are known to dissolve the rocks to release and translocate through their hyphae nutrients necessary for their growth. SN and SNN are depleted in Sr and enriched in ^Ca compared to the LCC. In the context of Villiers quarry, where the two ciystal shapes precipitate at similar temperature (in a range of 0,6°C), such variations are the result of a slower precipitation rate of NFC, which is inconsistent with a purely physicochemically precipitated elongate crystal.Finally, NFC is enriched in major and trace elements (i.e. Fe, Zn, Cu, and Mo) compared to the LCC. This enrichment is ascribed to modification in precipitation processes between the NFC and LCC. Right now, it is not possible to preclude the influence of the particular shape of NFC or the biological influence. REEs are not fractionated in NFC, contrary to LCC. Thus, NFC does not precipitate from a percolation solution circulating downward the soil, which should lead to the fractionation of the REEs. As explained above, fungi, are able to dissolve and translocate nutrients. This kind of processes allows releasing elements in the soil solution without fractionation and could explain the particular chemical signature of NFC regarding the REEs.The geochemical approach to investigate the origin of NFC presented in this study does not allow providing direct clues to the fungal origin of NFC, but brings several new insights in the understanding of the formation of such a particular mineral, calcite needles, by precluding definitively their physicochemical origin.RESUMELa calcite en aiguilles (NFC) est l'une des formes les plus ubiquiste de calcite pédogénique. Il s'agit d'un monocrystal de calcite d'un diamètre d'un micron et d'une longueur 4 à 102 fois supérieure à sa largeur. A l'échelle macroscopique, la NFC a été observée sous deux principaux aspects : l'une « cotonneuse » et l'autre formant un mince croûte autour des graviers du sol. La NFC peut également servir de support à la nucléation de ciments secondaires précipités de manière purement physico-chimique (LCC). Malgré les nombreuses études menées sur la NFC, son origine demeure encore inconnue. A ce jour, aucune expérience en laboratoire n'a permis de créer de la calcite en aiguilles, et ce, quelque soit l'approche abordée. Par conséquent, les processus précis responsables de la précipitation calcite avec une telle morphologie restent inconnus. Le décalage existant entre l'axe d'allongement des aiguilles de calcite et l'axe normal de croissance de la calcite (axe c) reste inexpliqué.Des échantillons de NFC, LCC, roche mère, eau de pluie des différents horizons du sol ont été prélevés principalement au front de deux carrières de graviers, ainsi que dans un profil de sol adjacent à ces carrières, dans le but de mieux comprendre les processus à l'origine de la précipitation de calcite en forme d'aiguille. Trois micro-morphologies ont été distinguées: les aiguilles simples (SN), les aiguilles simples avec surcroissances calcitiques (SNO) et enfin les aiguilles simples avec nanofibres (SNN), celles-ci pouvant être de minérales ou organiques. Ces groupes, d'après nos résultats et les études antérieures pourraient correspondre à différentes étapes de formation de la calcite en aiguilles.Dans un premier temps, la comparaison des signatures isotopiques de la calcite en aiguilles, du LCC, de la roche mère et du carbone inorganique dissout dans la solution du sol (CID) indique que la NFC, tout comme le LCC, précipite en équilibre avec la solution du sol. Les valeurs similaires en Ô13C et δ180 de cristaux de calcite allongés (NFC) et rhombohédriques (LCC) formés dans un même milieu suggère que ces différences morphologiques ne peuvent pas être attribuées à des modifications purement physico-chimiques. La croissance de NFC à l'intérieur d'un moule organique comme les hyphes de champignons semble être la seule hypothèse plausible permettant d'expliquer la formation de monocrystaux allongés de calcite en équilibre avec leur environnement.La composition isotopique en strontium (Sr) et calcium (Ca) des LCC et des trois micro¬morphologies de la NFC ont été étudiées également, afin de déterminer l'origine du Ca2+ présent dans le réseau cristallin de la calcite en aiguilles, ainsi que les processus responsables de la formation de NFC. Les valeurs du rapport 87Sr/86$r de la forme SN sont les plus proches de celles de la roche mère par rapport aux formes SNN et SNO et du LCC. Ceci pourrait être un nouvel indice de l'implication des champignons dans la précipitation de calcite en aiguilles, puisqu'ils sont connus pour avoir la capacité de dissoudre les roches afin de libérer les nutriments nécessaires à leur croissance, ainsi que de les transloquer par leurs hyphes. De plus, les formes SN et SNN sont appauvries en Sr et enrichies en "Ca, comparativement au LCC. Dans le sol étudié, tous les carbonates de calcium précipitent à la même température, par conséquent, de telles variations sont dues à un taux de précipitation plus lent de SN et SNN, ce qui est contradictoire avec l'hypothèse physico-chimique. Pour finir, la NFC est enrichie en certains éléments majeurs et traces (i.e. Fe, Zn, Cu et Mo) par rapport au LCC. Ceci peut être attribué à différents processus de formation entre la NFC et le LCC. Pour le moment il est impossible d'exclure l'influence de la forme particulière de la NFC ou celle du champignon. Les terres rares (REEs) ne sont pas fractionnées dans la NFC, contrairement au LCC. Ceci peut être expliqué par le fait que la NFC précipite à partir d'une solution qui n'a pas percolé à travers le sol. Les champignons en dissolvant les roches mettent en solution éléments sans les fractionner. L'approche géochimique de l'étude de la calcite en aiguilles ne permets pas de produire des preuves directes sur sa potentielle origine fongique, mais permet de mieux comprendre comment un minéral aussi singulier que la NFC peut se former. D'autre pare cette étude permets d'exclure définitivement l'hypothèse physico-chimique de l'origine de la calcite en aiguilles

Methods to Increase Durability of Reactive ("D" Cracking) Coarse Aggregate in Portland Cement Concrete, MLR-73-01, 1973

The coarse aggregates used for Portland Cement concrete in southwest Iowa have exhibited a poor serviceability. This early failure is attributed to a characteristic commonly referred as "D" cracking. "D" line cracking is a discolored area of concrete caused by many fine, parallel hairline cracks. "D" line cracking is primarily caused by the movement of water in and through coarse aggregate with a unique pore structure. The presence of the water in the aggregates at the time of freezing causes the "D" cracking to occur and early failure. By making the pore structure less permeable to moisture, it is thought the durability factor of the concrete should increase. By drying the aggregate before mixing and then mixing with the cement, the particles of cement should enter the outer pore structure, and upon hydration make the pore structure less permeable to moisture.

Mechanistic insights into cytosolic molecular chaperones in protein unfolding and disaggregation

Under optimal non-physiological conditions of low concentrations and low temperatures, proteins may spontaneously fold to the native state, as all the information for folding lies in the amino acid sequence of the polypeptide. However, under conditions of stress or high protein crowding as inside cells, a polypeptide may misfold and enter an aggregation pathway resulting in the formation of misfolded conformers and fibrils, which can be toxic and lead to neurodegenerative illnesses, such as Alzheimer's, Parkinson's or Huntington's diseases and aging in general. To avert and revert protein misfolding and aggregation, cells have evolved a set of proteins called molecular chaperones. Here, I focussed on the human cytosolic chaperones Hsp70 (DnaK) and HspllO, and co-chaperone Hsp40 (DnaJ), and the chaperonin CCT (GroEL). The cytosolic molecular chaperones Hsp70s/Hspll0s and the chaperonins are highly upregulated in bacterial and human cells under different stresses and are involved both in the prevention and the reversion of protein misfolding and aggregation. Hsp70 works in collaboration with Hsp40 to reactivate misfolded or aggregated proteins in a strict ATP dependent manner. Chaperonins (CCT and GroEL) also unfold and reactivate stably misfolded proteins but we found that it needed to use the energy of ATP hydrolysis in order to evict over- sticky misfolded intermediates that inhibited the unfoldase catalytic sites. Ill In this study, we initially characterized a particular type of inactive misfolded monomeric luciferase and rhodanese species that were obtained by repeated cycles of freeze-thawing (FT). These stable misfolded monomeric conformers (FT-luciferase and FT-rhodanese) had exposed hydrophobic residues and were enriched with wrong ß-sheet structures (Chapter 2). Using FT-luciferase as substrate, we found that the Hsp70 orthologs, called HspllO (Sse in yeast), acted similarly to Hsp70 as were bona fide ATP- fuelled polypeptide unfoldases and was much more than a mere nucleotide exchange factor, as generally thought. Moreover, we found that HspllO collaborated with Hsp70 in the disaggregation of stable protein aggregates in which Hsp70 and HspllO acted as equal partners that synergistically combined their individual ATP-consuming polypeptide unfoldase activities to reactivate the misfolded/aggregated proteins (Chapter 3). Using FT-rhodanese as substrate, we found that chaperonins (GroEL and CCT) could catalytically reactivate misfolded rhodanese monomers in the absence of ATP. Also, our results suggested that encaging of an unfolding polypeptide inside the GroEL cavity under a GroES cap was not an obligatory step as generally thought (Chapter 4). Further, we investigated the role of Hsp40, a J-protein co-chaperone of Hsp70, in targeting misfolded polypeptides substrates onto Hsp70 for unfolding. We found that even a large excess of monomeric unfolded a-synuclein did not inhibit DnaJ, whereas, in contrast, stable misfolded a-synuclein oligomers strongly inhibited the DnaK-mediated chaperone reaction by way of sequestering the DnaJ co-chaperone. This work revealed that DnaJ could specifically distinguish, and bind potentially toxic stably aggregated species, such as soluble a-synuclein oligomers involved in Parkinson's disease, and with the help of DnaK and ATP convert them into from harmless natively unfolded a-synuclein monomers (chapter 5). Finally, our meta-analysis of microarray data of plant and animal tissues treated with various chemicals and abiotic stresses, revealed possible co-expressions between core chaperone machineries and their co-chaperone regulators. It clearly showed that protein misfolding in the cytosol elicits a different response, consisting of upregulating the synthesis mainly of cytosolic chaperones, from protein misfolding in the endoplasmic reticulum (ER) that elicited a typical unfolded protein response (UPR), consisting of upregulating the synthesis mainly of ER chaperones. We proposed that drugs that best mimicked heat or UPR stress at increasing the chaperone load in the cytoplasm or ER respectively, may prove effective at combating protein misfolding diseases and aging (Chapter 6).  - Dans les conditions optimales de basse concentration et de basse température, les protéines vont spontanément adopter un repliement natif car toutes les informations nécessaires se trouvent dans la séquence des acides aminés du polypeptide. En revanche, dans des conditions de stress ou de forte concentration des protéines comme à l'intérieur d'une cellule, un polypeptide peu mal se replier et entrer dans un processus d'agrégation conduisant à la formation de conformères et de fibrilles qui peuvent être toxiques et causer des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson ou la chorée de Huntington. Afin d'empêcher ou de rectifier le mauvais repliement des protéines, les cellules ont développé des protéines appelées chaperonnes. Dans ce travail, je me suis intéressé aux chaperonnes cytosoliques Hsp70 (DnaK) et HspllO, la co-chaperones Hsp40 (DnaJ), le complexe CCT/TRiC et GroEL. Chez les bactéries et les humains, les chaperonnes cytosoliques Hsp70s/Hspl 10s et les « chaperonines» sont fortement activées par différentes conditions de stress et sont toutes impliquées dans la prévention et la correction du mauvais repliement des protéines et de leur agrégation. Hsp70 collabore avec Hsp40 pour réactiver les protéines agrégées ou mal repliées et leur action nécessite de 1ATP. Les chaperonines (GroEL) déplient et réactivent aussi les protéines mal repliées de façon stable mais nous avons trouvé qu'elles utilisent l'ATP pour libérer les intermédiaires collant et mal repliés du site catalytique de dépliage. Nous avons initialement caractérisé un type particulier de formes stables de luciférase et de rhodanese monomériques mal repliées obtenues après plusieurs cycles de congélation / décongélation répétés (FT). Ces monomères exposaient des résidus hydrophobiques et étaient plus riches en feuillets ß anormaux. Ils pouvaient cependant être réactivés par les chaperonnes Hsp70+Hsp40 (DnaK+DnaJ) et de l'ATP, ou par Hsp60 (GroEL) sans ATP (Chapitre 2). En utilisant la FT-Luciferase comme substrat nous avons trouvé que HspllO (un orthologue de Hsp70) était une authentique dépliase, dépendante strictement de l'ATP. De plus, nous avons trouvé que HspllO collaborait avec Hsp70 dans la désagrégation d'agrégats stables de protéines en combinant leurs activités dépliase consommatrice d'ATP (Chapitre 3). En utilisant la FT-rhodanese, nous avons trouvé que les chaperonines (GroEL et CCT) pouvaient réactiver catalytiquement des monomères mal repliés en absence d'ATP. Nos résultats suggérèrent également que la capture d'un polypeptide en cours de dépliement dans la cavité de GroEL et sous un couvercle du complexe GroES ne serait pas une étape obligatoire du mécanisme, comme il est communément accepté dans la littérature (Chapitre 4). De plus, nous avons étudié le rôle de Hsp40, une co-chaperones de Hsp70, dans l'adressage de substrats polypeptidiques mal repliés vers Hsp70. Ce travail a révélé que DnaJ pouvait différencier et lier des polypeptide mal repliés (toxiques), comme des oligomères d'a-synucléine dans la maladie de Parkinson, et clairement les différencier des monomères inoffensifs d'a-synucléine (Chapitre 5). Finalement une méta-analyse de données de microarrays de tissus végétaux et animaux traités avec différents stress chimiques et abiotiques a révélé une possible co-expression de la machinerie des chaperonnes et des régulateurs de co- chaperonne. Cette meta-analyse montre aussi clairement que le mauvais repliement des protéines dans le cytosol entraîne la synthèse de chaperonnes principalement cytosoliques alors que le mauvais repliement de protéines dans le réticulum endoplasmique (ER) entraine une réponse typique de dépliement (UPR) qui consiste principalement en la synthèse de chaperonnes localisées dans l'ER. Nous émettons l'hypothèse que les drogues qui reproduisent le mieux les stress de chaleur ou les stress UPR pourraient se montrer efficaces dans la lutte contre le mauvais repliement des protéines et le vieillissement (Chapitre 6).