Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) dispersion and deposition to vegetation and soil following a large scale chemical fire

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were determined in soil and vegetation following a large scale chemical fire involving 10,000 ton of polypropylene. In comparison with sites outside the plume from the fire, PAH concentrations were elevated in grass shoots (by up to 70-fold) and in soil (by up to 370-fold). The pattern of PAH dispersion under the plume was dependent on the physical-chemical properties of individual PAHs. The lighter, least hydrophobic PAHs were dispersed into the environment at greater distances than heavier, more hydrophobic PAHs. At the most distant sampling point (4.5 km) under the plume, the low molecular weight PAHs were still considerably elevated in vegetation samples compared to control sites. Dispersion appeared to be regulated by the compounds partitioning between the vapour and particulate phase, with dry particulate deposition occurring closer to the fire source than gaseous deposition. For all PAHs, the fire resulted in greater contamination of soils compared to grasses, with the relative ratio of plant/soil contamination decreasing as hydrophobicity increased.

Protecting group and switchable pore-discriminating adsorption properties of a hydrophilic-hydrophobic metal-organic framework

Formed by linking metals or metal clusters through organic linkers, metal-organic frameworks are a class of solids with structural and chemical properties that mark them out as candidates for many emerging gas storage, separation, catalysis and biomedical applications. Important features of these materials include their high porosity and their flexibility in response to chemical or physical stimuli. Here, a copper-based metal-organic framework has been prepared in which the starting linker (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid) undergoes selective monoesterification during synthesis to produce a solid with two different channel systems, lined by hydrophilic and hydrophobic surfaces, respectively. The material reacts differently to gases or vapours of dissimilar chemistry, some stimulating subtle framework flexibility or showing kinetic adsorption effects. Adsorption can be switched between the two channels by judicious choice of the conditions. The monoesterified linker is recoverable in quantitative yield, demonstrating possible uses of metal-organic frameworks in molecular synthetic chemistry as 'protecting groups' to accomplish selective transformations that are difficult using standard chemistry techniques.

Physical properties of a new Deep Eutectic Solvent based on lithium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide and N-methylacetamide as superionic suitable electrolyte for lithium ion batteries and electric double layer capacitors

Herein we present a study on the physical/chemical properties of a new Deep Eutectic Solvent (DES) based on N-methylacetamide (MAc) and lithium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide (LiTFSI). Due to its interesting properties, such as wide liquid-phase range from -60°C to 280°C, low vapor pressure, and high ionic conductivity up to 28.4mScm at 150°C and at x=1/4, this solution can be practically used as electrolyte for electrochemical storage systems such as electric double-layer capacitors (EDLCs) and/or lithium ion batteries (LiBs). Firstly, relationships between its transport properties (conductivity and viscosity) as a function of composition and temperature were discussed through Arrhenius' Law and Vogel-Tamman-Fulcher (VTF) equations, as well as by using the Walden classification. From this investigation, it appears that this complex electrolyte possesses a number of excellent transport properties, like a superionic character for example. Based on which, we then evaluated its electrochemical performances as electrolyte for EDLCs and LiBs applications by using activated carbon (AC) and lithium iron phosphate (LiFePO) electrodes, respectively. These results demonstrate that this electrolyte has a good compatibility with both electrodes (AC and LiFePO) in each testing cell driven also by excellent electrochemical properties in specific capacitance, rate and cycling performances, indicating that the LiTFSI/MAc DES can be a promising electrolyte for EDLCs and LiBs applications especially for those requiring high safety and stability. © 2013 Elsevier Ltd.

Macroinvertebrate traits as biomonitoring tools in agricultural scenarios

Os ecossistemas de água doce – responsáveis por funções ambientais importantes e pelo fornecimento de bens e serviços insubstituíveis – têm vindo a ser severamente afectados por perturbações antropogénicas. A conversão de floresta em terreno agrícola afecta os sistemas aquáticos através de uma série de mecanismos: sedimentação; excesso de nutrientes; contaminação; alterações hidrológicas; e remoção de vegetação ripícola. As comunidades de macroinvertebrados de água doce – devido à sua diversidade, ubiquidade e sensibilidade às perturbações ambientais – revelam-se como particularmente adequadas para estudos de avaliação da integridade ecológica destes sistemas expostos simultaneamente a múltiplos factores de impacto. O uso sistemático de respostas biológicas para avaliação de mudanças ambientais – ou biomonitorização – pode ser levado a cabo através de diversas metodologias, que, de uma forma geral, não consideram aspectos funcionais das comunidades biológicas e têm aplicabilidade geograficamente restrita. A biomonitorização através de atributos biológicos (características que reflectem a adaptação das espécies ao seu meio ambiente) revela-se como uma ferramenta promissora na resolução dos problemas referidos, apresentando vantagens adicionais: relações causa-efeito directas; melhoria na diferenciação de impactos; e integração da variabilidade natural. O presente estudo apresenta uma revisão critica do estado-da-arte actual na área do uso de atributos biológicos em biomonitorização. Até à data de publicação, não estava disponível nenhum outro trabalho com a base conceptual do uso de atributos de macroinvertebrados enquanto descritores de comunidades e para efeitos de biomonitorização e gestão de sistemas de água doce. Descrevem-se as teorias ecológicas de suporte destas metodologias (conceitos de habitat-molde e de filtros paisagísticos) e os estudos que aplicaram estas teorias em cenários reais, tendo-se chamado a atenção para questões técnicas e possíveis soluções. As necessidades futuras nesta área englobam: o desenvolvimento de uma só ferramenta de biomonitorização de aplicação alargada; uma maior compreensão da variabilidade natural nas comunidades biológicas; diminuição dos efeitos de soluções de compromisso biológico e sindromas; realização de estudos autoecológicos adicionais; e detecção de impactos específicos em cenários de impacto complexos. Um dos objectivos deste estudo foi contribuir para a melhoria das técnicas de biomonitorização através de atributos, focalizando em comunidades de macroinvertebrados ribeirinhas em diferentes regiões biogeográficas (as bacias hidrográficas dos rios: Little e Salmon em New Brunswick, Canadá; Anllóns na Galiza, Espanha; Reventazón em Cartago, Costa Rica). Em cada região, foram estudados gradientes de uso agrícola de solo, incluindo desde bacias hidrográficas quase exclusivamente cobertas por floresta até bacias sob a influência maioritária de actividades agrícolas intensivas. Em cada gradiente de uso de solo, a caracterização da comunidade biológica (por amostragem de macroinvertebrados em troços de rápidos) foi acompanhada pela caracterização do habitat circundante (incluindo propriedades da bacia hidrográfica, análise química das águas e outras propriedades à escala local). A comunidade de macroinvertebrados foi caracterizada através de informação taxonómica, métricas estruturais, índices de diversidade, métricas de tolerância, índices bióticos e através da compilação de atributos biológicos e fisiológicos gerais, de história de vida e de resistência a perturbações. Análises estatísticas univariadas e multivariadas foram usadas para evidenciar os gradientes biológicos e físico-químicos, confirmar a sua co-variação, testar a significância da discriminação de níveis de impacto e estabelecer comparações inter-regionais. A estrutura de comunidades revelou os complexos gradientes de impacto, que por sua vez co-variaram significativamente com os gradientes de uso de solo. Os gradientes de impacto relacionaram-se sobretudo com entrada de nutrientes e sedimentação. Os gradientes biológicos definidos pelas medidas estruturais seleccionadas co-variaram com os gradientes de impacto estudados, muito embora apenas algumas variáveis estruturais tenham individualmente discriminado as categorias de uso de solo definidas a priori. Não foi detectada consistência nas respostas das medidas estruturais entre regiões biogeográficas, tendo-se confirmadado que as interpretações puramente taxonómicas de impactos são difíceis de extrapolar entre regiões. Os gradientes biológicos definidos através dos atributos seleccionados também co-variaram com os gradientes de perturbação, tendo sido possível obter uma melhor discriminação de categorias de uso de solo. Nas diferentes regiões, a discriminação de locais mais impactados foi feita com base num conjunto similar de atributos, que inclui tamanho, voltinismo, técnicas reproductivas, microhabitat, preferências de corrente e substrato, hábitos alimentares e formas de resistência. Este conjunto poderá vir a ser usado para avaliar de forma predictiva os efeitos das modificações severas de uso de solo impostas pela actividade agrícola. Quando analisadas simultaneamente através dos atributos, as comunidades das três regiões permitiram uma moderada mas significativa discriminação de níveis de impacto. Estas análises corroboram as evidências de que as mudanças nas comunidades de macroinvertebrados aquáticos em locais sob a influência de agricultura intensiva podem seguir uma trajectória convergente no espaço multidimensional, independentemente de factores geográficos. Foram fornecidas pistas para a identificação de parâmetros específicos que deverão ser tidos em conta no planeamento de novos programas de biomonitorização com comunidades de macroinvertebrados bentónicos, para aplicação numa gestão fluvial verdadeiramente ecológica, nestas e noutras regiões. Foram ainda sugeridas possíveis linhas futuras de investigação.

Maturação de lamas vulcânicas açorianas e sua aplicação em peloterapia

Em Portugal, nomeadamente nos Açores (Centro Termal das Furnas), durante vários anos foram utilizados pelóides naturais (lamas/argilas obtidos após conveniente maturação com água mineral) como agentes terapêuticos. Apesar das evidências empíricas da aplicação das argilas para fins terapêuticos, o suporte científico é ainda escasso. Além disso, contrariamente ao que se verifica para águas minerais utilizadas para fins termais, no campo da peloterapia, não existe regulamentação que estabeleça critérios quanto à qualidade padrão de um pelóide. Este trabalho visou a avaliação das características biológicas, físico-químicas e mineralógicas de lamas vulcânicas das ilhas de São Miguel e da Terceira para aplicação em peloterapia antes e após maturação. A área de amostragem foi caracterizada sob o ponto de vista geomorfológico, geológico, hidrológico e climático. A análise dos materiais colhidos contemplou estudos de granulometria e de mineralogia da amostra total e da fracção argilosa; caracterização química; e determinação de outras propriedades tais como índice de abrasividade, superfície específica, pH, capacidade de troca catiónica e catiões de troca, limites de consistência (plasticidade e liquidez e índice de plasticidade) e taxa de arrefecimento. A caracterização biológica das lamas incluiu a identificação e quantificação relativa de diatomáceas e a determinação do teor em coliformes totais e microrganismos cultiváveis a 37 ºC e a 22 ºC. Estudos efectuados em amostras comerciais argilosas e em recursos naturais açorianos precederam os ensaios de maturação. Estes estudos visaram, fundamentalmente, aferir as características apropriadas dos materiais para aplicação tópica e detectar e caracterizar a presença de comunidades diatomológicas em locais próximos dos materiais a serem sujeitos a maturação. O estudo de maturação foi desenvolvido em duas etapas sequenciais e complementares com vista à optimização do processo de maturação de lamas vulcânicas açorianas. Foi testada a influência de algumas condições abióticas na maturação e fez-se variar a fracção granulométrica, proporção fase sólida:fase líquida e o tempo de maturação entre os dois ensaios. O uso da granulometria <63 μm, proporção de 2:1 (fase sólida:fase líquida) e condições de luminosidade, sem agitação parecem ser as mais adequadas à maturação dos materiais analisados. A maturação revela-se um processo que promove a melhoria de características importantes dos materiais para aplicação em peloterapia, tais como aumento dos tempos de arrefecimento e da quantidade de catiões de troca. Existe uma comunidade de microalgas e bacteriana capaz de se desenvolver em materiais geológicos vulcânicos durante a maturação e cujo contributo para a acção terapêutica do pelóide deverá ser aferida. Após comparação com materiais de referência, a amostra das Furnas revela as características mais adequadas para aplicação em peloterapia.

Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

Assessing the effectiveness of chemical treatment with nanomaterials in improving the quality of different industrial effluents

Industrial activities are the major sources of pollution in all environments. Depending on the type of industry, various levels of organic and inorganic pollutants are being continuously discharged into the environment. Although, several kinds of physical, chemical, biological or the combination of methods have been proposed and applied to minimize the impact of industrial effluents, few have proved to be totally effective in terms of removal rates of several contaminants, toxicity reduction or amelioration of physical and chemical properties. Hence, it is imperative to develop new and innovative methodologies for industrial wastewater treatment. In this context nanotechnology arises announcing the offer of new possibilities for the treatment of wastewaters mainly based on the enhanced physical and chemical proprieties of nanomaterials (NMs), which can remarkably increase their adsorption and oxidation potential. Although applications of NMs may bring benefits, their widespread use will also contribute for their introduction into the environment and concerns have been raised about the intentional use of these materials. Further, the same properties that make NMs so appealing can also be responsible for producing ecotoxicological effects. In a first stage, with the objective of selecting NMs for the treatment of organic and inorganic effluents we first assessed the potential toxicity of nanoparticles of nickel oxide (NiO) with two different sizes (100 and 10-20 nm), titanium dioxide (TiO2, < 25 nm) and iron oxide (Fe2O3, ≈ 85x425 nm). The ecotoxicological assessment was performed with a battery of assays using aquatic organisms from different trophic levels. Since TiO2 and Fe2O3 were the NMs that presented lower risks to the aquatic systems, they were selected for the second stage of this work. Thus, the two NMs pre-selected were tested for the treatment of olive mill wastewater (OMW). They were used as catalyst in photodegradation systems (TiO2/UV, Fe2O3/UV, TiO2/H2O2/UV and Fe2O3/H2O2/UV). The treatments with TiO2 or Fe2O3 combined with H2O2 were the most efficient in ameliorating some chemical properties of the effluent. Regarding the toxicity to V. fischeri the highest reduction was recorded for the H2O2/UV system, without NMs. Afterwards a sequential treatment using photocatalytic oxidation with NMs and degradation with white-rot fungi was applied to OMW. This new approach increased the reduction of chemical oxygen demand, phenolic content and ecotoxicity to V. fischeri. However, no reduction in color and aromatic compounds was achieved after 21 days of biological treatment. The photodegradation systems were also applied to treat the kraft pulp mill and mining effluents. For the organic effluent the combination NMs and H2O2 had the best performances in reduction the chemical parameters as well in terms of toxicity reduction. However, for the mine effluent the best (TiO2/UV and Fe2O3/UV) were only able to significantly remove three metals (Zn, Al and Cd). Nonetheless the treatments were able of reducing the toxicity of the effluent. As a final stage, the toxicity of solid wastes formed during wastewater treatment with NMs was assessed with Chironomus riparius larvae, a representative species of the sediment compartment. Certain solid wastes showed the potential to negatively affect C. riparius survival and growth, depending on the type of effluent treated. This work also brings new insights to the use of NMs for the treatment of industrial wastewaters. Although some potential applications have been announced, many evaluations have to be performed before the upscaling of the chemical treatments with NMs.

New tools for chemical modification of proteins

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Effects of prescribed fire on surface soil in a Pinus pinaster plantation, northern Portugal

In order to decrease the risk of severe wildfire, prescribed fire has recently been adopted in Portugal and elsewhere in the Mediterranean as a major tool for reducing the fuel load instead of manual or mechanical removal of vegetation. There has been some research into its impact on soils in shrublands and grasslands, but to date little research has been conducted in forested areas in the region. As a result, the impact of prescribed fire on the physico-chemical soil characteristics of forest soils has been assumed to be minimal, but this has not been demonstrated. In this study, we present the results of a monitoring campaign of a detailed pre- and post-prescribed fire assessment of soil properties in a long-unburnt P. pinaster plantation, NW Portugal. The soil characteristics examined were pH, total porosity, bulk density, moisture content, organic matter content and litter/ash quantity. The results show that there was no significant impact on the measured soil properties, the only effect being confined to minor changes in the upper 1 cm of soil. We conclude that provided the fire is carried out according to strict guidelines in P. pinaster forest, a minimal impact on soil properties can be expected.

Soil sampling design and sampling techniques for soil properties monitoring – common difficulties related to forest soils

Mathematical models and statistical analysis are key instruments in soil science scientific research as they can describe and/or predict the current state of a soil system. These tools allow us to explore the behavior of soil related processes and properties as well as to generate new hypotheses for future experimentation. A good model and analysis of soil properties variations, that permit us to extract suitable conclusions and estimating spatially correlated variables at unsampled locations, is clearly dependent on the amount and quality of data and of the robustness techniques and estimators. On the other hand, the quality of data is obviously dependent from a competent data collection procedure and from a capable laboratory analytical work. Following the standard soil sampling protocols available, soil samples should be collected according to key points such as a convenient spatial scale, landscape homogeneity (or non-homogeneity), land color, soil texture, land slope, land solar exposition. Obtaining good quality data from forest soils is predictably expensive as it is labor intensive and demands many manpower and equipment both in field work and in laboratory analysis. Also, the sampling collection scheme that should be used on a data collection procedure in forest field is not simple to design as the sampling strategies chosen are strongly dependent on soil taxonomy. In fact, a sampling grid will not be able to be followed if rocks at the predicted collecting depth are found, or no soil at all is found, or large trees bar the soil collection. Considering this, a proficient design of a soil data sampling campaign in forest field is not always a simple process and sometimes represents a truly huge challenge. In this work, we present some difficulties that have occurred during two experiments on forest soil that were conducted in order to study the spatial variation of some soil physical-chemical properties. Two different sampling protocols were considered for monitoring two types of forest soils located in NW Portugal: umbric regosol and lithosol. Two different equipments for sampling collection were also used: a manual auger and a shovel. Both scenarios were analyzed and the results achieved have allowed us to consider that monitoring forest soil in order to do some mathematical and statistical investigations needs a sampling procedure to data collection compatible to established protocols but a pre-defined grid assumption often fail when the variability of the soil property is not uniform in space. In this case, sampling grid should be conveniently adapted from one part of the landscape to another and this fact should be taken into consideration of a mathematical procedure.

Effects of prescribed fire on surface soil in a Pinus pinaster plantation, northern Portugal

In order to decrease the risk of severe wildfire, prescribed fire has recently been adopted in Portugal and elsewhere in the Mediterranean as a major tool for reducing the fuel load instead of manual or mechanical removal of vegetation. There has been some research into its impact on soils in shrublands and grasslands, but to date little research has been conducted in forested areas in the region. As a result, the impact of prescribed fire on the physico-chemical soil characteristics of forest soils has been assumed to be minimal, but this has not been demonstrated. In this study, we present the results of a monitoring campaign of a detailed pre- and post-prescribed fire assessment of soil properties in a long-unburnt P. pinaster plantation, NW Portugal. The soil characteristics examined were pH, total porosity, bulk density, moisture content, organic matter content and litter/ash quantity. The results show that there was no significant impact on the measured soil properties, the only effect being confined to minor changes in the upper 1 cm of soil. We conclude that provided the fire is carried out according to strict guidelines in P. pinaster forest, a minimal impact on soil properties can be expected.

Étude des mécanismes d’inactivation des microorganismes suite à un traitement à l’ozone

Une partie du travail a mené a un dépôt de brevet.

Une nouvelle stratégie de traitement de la maladie cœliaque basée sur les polymères séquestrants

La maladie cœliaque ou sprue cœliaque est une intolérance au gluten. Il s’agit d’une maladie inflammatoire de l’intestin liée à l’ingestion de gluten chez des personnes génétiquement susceptibles. Ce désordre présente une forte prévalence puisqu’il touche 1 % de la population mondiale. En l’état actuel des choses, il n’existe aucun outil pharmacologique pour traiter ou pallier à cette maladie. Cependant, grâce aux avancées dans la compréhension de sa pathogenèse, de nouvelles cibles thérapeutiques ont été identifiées. À l’heure actuelle, le seul traitement efficace consiste à suspendre la consommation de l’agent pathogène, à savoir le gluten. Le gluten est un ensemble de protéines de stockage des céréales contenu dans le blé, l’orge et le seigle. Le gluten du blé se subdivise en gluténines et gliadines. Ce sont ces dernières qui semblent les plus impliquées dans la maladie cœliaque. Les gliadines et ses protéines apparentées (i.e. sécalines et hordéines, respectivement dans le seigle et l’orge) sont riches en prolines et en glutamines, les rendant résistantes à la dégradation par les enzymes digestives et celles de la bordure en brosse. Les peptides résultant de cette digestion incomplète peuvent induire des réponses immunitaires acquises et innées. L’objectif principal de cette thèse était de tester un nouveau traitement d’appoint de la maladie cœliaque utile lors de voyages ou d’évènements ponctuels. Dans les années 80, une observation italienne montra l’inhibition de certains effets induits par des gliadines digérées sur des cultures cellulaires grâce à la co-incubation en présence de mannane: un polyoside naturel composé de mannoses. Malheureusement, ce traitement n’était pas applicable in vivo à cause de la dégradation par les enzymes du tractus gastro-intestinales du polymère, de par sa nature osidique. Les polymères de synthèse, grâce à la diversité et au contrôle de leurs propriétés physico-chimiques, se révèlent être une alternative attrayante à ce polymère naturel. L’objectif de cette recherche était d’obtenir un polymère liant la gliadine, capable d’interférer dans la genèse de la maladie au niveau du tube digestif, afin d’abolir les effets délétères induits par la protéine. Tout d’abord, des copolymères de type poly (hydroxyéthylméthacrylate)-co-(styrène sulfonate) (P(HEMA-co-SS)) ont été synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome (ATRP). Une petite bibliothèque de polymères a été préparée en faisant varier la masse molaire, ainsi que les proportions de chacun des monomères. Ces polymères ont ensuite été testés quant à leur capacité de complexer la gliadine aux pH stomacal et intestinal et les meilleurs candidats ont été retenus pour des essais cellulaires. Les travaux ont permis de montrer que le copolymère P(HEMA-co-SS) (45:55 mol%, 40 kDa) permettait une séquestration sélective de la gliadine et qu’il abolissait les effets induits par la gliadine sur différents types cellulaires. De plus, ce composé interférait avec la digestion de la gliadine, suggérant une diminution de peptides immunogènes impliqués dans la maladie. Ce candidat a été testé in vivo, sur un modèle murin sensible au gluten, quant à son efficacité vis-à-vis de la gliadine pure et d’un mélange contenant du gluten avec d’autres composants alimentaires. Le P(HEMA-co-SS) a permis de diminuer les effets sur les paramètres de perméabilité et d’inflammation, ainsi que de moduler la réponse immunitaire engendrée par l’administration de gliadine et celle du gluten. Des études de toxicité et de biodistribution en administration aigüe et chronique ont été réalisées afin de démontrer que ce dernier était bien toléré et peu absorbé suite à son administration par la voie orale. Enfin des études sur des échantillons de tissus de patients souffrants de maladie cœliaque ont montré un bénéfice therapeutique du polymère. L’ensemble des travaux présentés dans cette thèse a permis de mettre en évidence le potentiel thérapeutique du P(HEMA-co-SS) pour prévenir les désordres reliés à l’ingestion de gluten, indiquant que ce type de polymère pourrait être exploité dans un avenir proche.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.