The Li-8(p, alpha)He-5 reaction at low energies, and Be-9 spectroscopy around the proton threshold

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Collimation of deuterium / 3-helium fusion products for advanced spacecraft propulsion and power

Current space exploration has transpired through the use of chemical rockets, and they have served us well, but they have their limitations. Exploration of the outer solar system, Jupiter and beyond will most likely require a new generation of propulsion system. One potential technology class to provide spacecraft propulsion and power systems involve thermonuclear fusion plasma systems. In this class it is well accepted that d-He3 fusion is the most promising of the fuel candidates for spacecraft applications as the 14.7 MeV protons carry up to 80% of the total fusion power while ‘s have energies less than 4 MeV. The other minor fusion products from secondary d-d reactions consisting of 3He, n, p, and 3H also have energies less than 4 MeV. Furthermore there are two main fusion subsets namely, Magnetic Confinement Fusion devices and Inertial Electrostatic Confinement (or IEC) Fusion devices. Magnetic Confinement Fusion devices are characterized by complex geometries and prohibitive structural mass compromising spacecraft use at this stage of exploration. While generating energy from a lightweight and reliable fusion source is important, another critical issue is harnessing this energy into usable power and/or propulsion. IEC fusion is a method of fusion plasma confinement that uses a series of biased electrodes that accelerate a uniform spherical beam of ions into a hollow cathode typically comprised of a gridded structure with high transparency. The inertia of the imploding ion beam compresses the ions at the center of the cathode increasing the density to the point where fusion occurs. Since the velocity distributions of fusion particles in an IEC are essentially isotropic and carry no net momentum, a means of redirecting the velocity of the particles is necessary to efficiently extract energy and provide power or create thrust. There are classes of advanced fuel fusion reactions where direct-energy conversion based on electrostatically-biased collector plates is impossible due to potential limits, material structure limitations, and IEC geometry. Thermal conversion systems are also inefficient for this application. A method of converting the isotropic IEC into a collimated flow of fusion products solves these issues and allows direct energy conversion. An efficient traveling wave direct energy converter has been proposed and studied by Momota , Shu and further studied by evaluated with numerical simulations by Ishikawa and others. One of the conventional methods of collimating charged particles is to surround the particle source with an applied magnetic channel. Charged particles are trapped and move along the lines of flux. By introducing expanding lines of force gradually along the magnetic channel, the velocity component perpendicular to the lines of force is transferred to the parallel one. However, efficient operation of the IEC requires a null magnetic field at the core of the device. In order to achieve this, Momota and Miley have proposed a pair of magnetic coils anti-parallel to the magnetic channel creating a null hexapole magnetic field region necessary for the IEC fusion core. Numerically, collimation of 300 eV electrons without a stabilization coil was demonstrated to approach 95% at a profile corresponding to Vsolenoid = 20.0V, Ifloating = 2.78A, Isolenoid = 4.05A while collimation of electrons with stabilization coil present was demonstrated to reach 69% at a profile corresponding to Vsolenoid = 7.0V, Istab = 1.1A, Ifloating = 1.1A, Isolenoid = 1.45A. Experimentally, collimation of electrons with stabilization coil present was demonstrated experimentally to be 35% at 100 eV and reach a peak of 39.6% at 50eV with a profile corresponding to Vsolenoid = 7.0V, Istab = 1.1A, Ifloating = 1.1A, Isolenoid = 1.45A and collimation of 300 eV electrons without a stabilization coil was demonstrated to approach 49% at a profile corresponding to Vsolenoid = 20.0V, Ifloating = 2.78A, Isolenoid = 4.05A 6.4% of the 300eV electrons’ initial velocity is directed to the collector plates. The remaining electrons are trapped by the collimator’s magnetic field. These particles oscillate around the null field region several hundred times and eventually escape to the collector plates. At a solenoid voltage profile of 7 Volts, 100 eV electrons are collimated with wall and perpendicular component losses of 31%. Increasing the electron energy beyond 100 eV increases the wall losses by 25% at 300 eV. Ultimately it was determined that a field strength deriving from 9.5 MAT/m would be required to collimate 14.7 MeV fusion protons from d-3He fueled IEC fusion core. The concept of the proton collimator has been proven to be effective to transform an isotropic source into a collimated flow of particles ripe for direct energy conversion.

Measurement of target single-spin asymmetry in charged kaon electroproduction on a transversely polarized 3He target

The subject of quark transverse spin and transverse momentum distribution are two current research frontier in understanding the spin structure of the nucleons. The goal of the research reported in this dissertation is to extract new information on the quark transversity distribution and the novel transverse-momentum-dependent Sivers function in the neutron. A semi-inclusive deep inelastic scattering experiment was performed at the Hall A of the Jefferson laboratory using 5.9 GeV electron beam and a transversely polarized ^{3}He target. The scattered electrons and the produced hadrons (pions, kaons, and protons) were detected in coincidence with two large magnetic spectrometers. By regularly flipping the spin direction of the transversely polarized target, the single-spin-asymmetry (SSA) of the semi-inclusive deep inelastic reaction ^{3}He^{uparrow}(e,e'h^{\pm})X was measured over the kinematic range 0.13 < x < 0.41 and 1.3 < Q^{2} < 3.1 (GeV)^{2}. The SSA contains several different azimuthal angular modulations which are convolutions of quarks distribution functions in the nucleons and the quark fragmentation functions into hadrons. It is from the extraction of the various ``moments'' of these azimuthal angular distributions (Collins moment and Sivers moment) that we obtain information on the quark transversity distribution and the novel T-odd Sivers function. In this dissertation, I first introduced the theoretical background and experimental status of nucleon spins and the physics of SSA. I will then present the experimental setup and data collection of the JLab E06-010 experiment. Details of data analysis will be discussed next with emphasis on the kaon particle identification and the Ring-Imaging Cherenkov detector which are my major responsibilities in this experiment. Finally, results on the kaon Collins and Sivers moments extracted from the Maximum Likelihood method will be presented and interpreted. I will conclude with a discussion on the future prospects for this research.

Calibration and simulations of SIXS-P's response to energetic particles

The Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer (SIXS) on board BepiColombo's Mercury Planetary Orbiter (MPO) will study solar energetic particles moving towards Mercury and solar X-rays on the dayside of Mercury. The SIXS instrument consists of two detector sub-systems; X-ray detector SIXS-X and particle detector SIXS-P. The SIXS-P subdetector will detect solar energetic electrons and protons in a broad energy range using a particle telescope approach with five outer Si detectors around a central CsI(Tl) scintillator. The measurements made by the SIXS instrument are necessary for other instruments on board the spacecraft. SIXS data will be used to study the Solar X-ray corona, solar flares, solar energetic particles, the Hermean magnetosphere, and solar eruptions. The SIXS-P detector was calibrated by comparing experimental measurement data from the instrument with Geant4 simulation data. Calibration curves were produced for the different side detectors and the core scintillator for electrons and protons, respectively. The side detector energy response was found to be linear for both electrons and protons. The core scintillator energy response to protons was found to be non-linear. The core scintillator calibration for electrons was omitted due to insufficient experimental data. The electron and proton acceptance of the SIXS-P detector was determined with Geant4 simulations. Electron and proton energy channels are clean in the main energy range of the instrument. At higher energies, protons and electrons produce non-ideal response in the energy channels. Due to the limited bandwidth of the spacecraft's telemetry, the particle measurements made by SIXS-P have to be pre-processed in the data processing unit of the SIXS instrument. A lookup table was created for the pre-processing of data with Geant4 simulations, and the ability of the lookup table to provide spectral information from a simulated electron event was analysed. The lookup table produces clean electron and proton channels and is able to separate protons and electrons. Based on a simulated solar energetic electron event, the incident electron spectrum cannot be determined from channel particle counts with a standard analysis method.

Oxidative stress and its haemodynamic consequences in chronic kidney disease

Chronic kidney disease (CKD) is associated with increased cardiovascular risk in comparison with the general population. This can be observed even in the early stages of CKD, and rises in proportion to the degree of renal impairment. Not only is cardiovascular disease (CVD) more prevalent in CKD, but its nature differs too, with an excess of morbidity and mortality associated with congestive cardiac failure, arrhythmia and sudden death, as well as the accelerated atherosclerosis which is also observed. Conventional cardiovascular risk factors such as hypertension, dyslipidaemia, obesity, glycaemia and smoking, are highly prevalent amongst patients with CKD, although in many of these examples the interaction between risk factor and disease differs from that which exists in normal renal function. Nevertheless, the extent of CVD cannot be fully explained by these conventional risk factors, and non-conventional factors specific to CKD are now recognised to contribute to the burden of CVD. Oxidative stress is a state characterised by excessive production of reactive oxygen species (ROS) and other radical species, a reduction in the capacity of antioxidant systems, and disturbance in normal redox homeostasis with depletion of protective vascular signalling molecules such as nitric oxide (NO). This results in oxidative damage to macromolecules such as lipids, proteins and DNA which can alter their functionality. Moreover, many enzymes are sensitive to redox regulation such that oxidative modification to cysteine thiol groups results in activation of signalling cascades which result in adverse cardiovascular effects such as vascular and endothelial dysfunction. Endothelial dysfunction and oxidative stress are present in association with many conventional cardiovascular risk factors, and can be observed even prior to the development of overt, clinical, vascular pathology, suggesting that these phenomena represent the earliest stages of CVD. In the presence of CKD, there is increased ROS production due to upregulated NADPH oxidase (NOX), increase in a circulating asymmetric dimethylarginine (ADMA), uncoupling of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) as well as other mechanisms. There is also depletion in exogenous antioxidants such as ascorbic acid and tocopherol, and a reduction in activity of endogenous antioxidant systems regulated by the master gene regulator Nrf-2. In previous studies, circulating markers of oxidative stress have been shown to be increased in CKD, together with a reduction in endothelial function in a stepwise fashion relating to the severity of renal impairment. Not only is CVD linked to oxidative stress, but the progression of CKD itself is also in part dependent on redox sensitive mechanisms. For example, administration of the ROS scavenger tempol attenuates renal injury and reduces renal fibrosis seen on biopsy in a mouse model of CKD, whilst conversely, supplementation with the NOS inhibitor L-NAME causes proteinuria and renal impairment. Previous human studies examining the effect of antioxidant administration on vascular and renal function have been conflicting however. The work contained in this thesis therefore examines the effect of antioxidant administration on vascular and endothelial function in CKD. Firstly, 30 patients with CKD stages 3 – 5, and 20 matched hypertensive controls were recruited. Participants with CKD had lower ascorbic acid, higher TAP and ADMA, together with higher augmentation index and pulse wave velocity. There was no difference in baseline flow mediated dilatation (FMD) between groups. Intravenous ascorbic acid increased TAP and O2-, and reduced central BP and augmentation index in both groups, and lowered ADMA in the CKD group only. No effect on FMD was observed. The effects of ascorbic acid on kidney function was then investigated, however this was hindered by the inherent drawbacks of existing methods of non-invasively measuring kidney function. Arterial spin labelling MRI is an emerging imaging technique which allows measurement of renal perfusion without administration of an exogenous contrast agent. The technique relies upon application of an inversion pulse to blood within the vasculature proximal to the kidneys, which magnetically labels protons allowing measurement upon transit to the kidney. At the outset of this project local experience using ASL MRI was limited and there ensued a prolonged pre-clinical phase of testing with the aim of optimising imaging strategy. A study was then designed to investigate the repeatability of ASL MRI in a group of 12 healthy volunteers with normal renal function. The measured T1 longitudinal relaxation times and ASL MRI perfusion values were in keeping with those found in the literature; T1 time was 1376 ms in the cortex and 1491 ms in the whole kidney ROI, whilst perfusion was 321 mL/min/100g in the cortex, and 228 mL/min/100g in the whole kidney ROI. There was good reproducibility demonstrated on Bland Altman analysis, with a CVws was 9.2% for cortical perfusion and 7.1% for whole kidney perfusion. Subsequently, in a study of 17 patients with CKD and 24 healthy volunteers, the effects of ascorbic acid on renal perfusion was investigated. Although no change in renal perfusion was found following ascorbic acid, it was found that ASL MRI demonstrated significant differences between those with normal renal function and participants with CKD stages 3 – 5, with increased cortical and whole kidney T1, and reduced cortical and whole kidney perfusion. Interestingly, absolute perfusion showed a weak but significant correlation with progression of kidney disease over the preceding year. Ascorbic acid was therefore shown to have a significant effect on vascular biology both in CKD and in those with normal renal function, and to reduce ADMA only in patients with CKD. ASL MRI has shown promise as a non-invasive investigation of renal function and as a biomarker to identify individuals at high risk of progressive renal impairment.

Síntese e estudo de polioxotungstatos do tipo Keggin com interesse catalítico

O objectivo principal deste trabalho foi estudar as propriedades e comportamento de polioxotungstatos (POM) do tipo Keggin com interesse em catálise oxidativa. Os estudos efectuados centraram-se no comportamento electroquímico dos aniões em meio não aquoso, na estabilidade das suas estruturas em diferentes meios, na sua capacidade de catalisar a oxidação de diferentes substratos orgânicos e na sua eficácia em oxidar, de forma selectiva, um modelo não fenólico da lenhina. Efectuou-se, igualmente, o estudo estrutural de diversos aniões pela técnica de EXAFS. Neste trabalho, prepararam-se e caracterizaram-se alguns dos sais de tetra-n-butilamónio (TBA) dos polioxotungstatos estudados: compostos de Keggin, TBAx[XW12O40], lacunares, TBAxHy[XW11O39], mono-substituídos, TBAxHy[XW11M(H2O)O39]·nH2O, com X= P e Si e M = CoII, NiII, ZnII, CuIl, RuIII, MnIII e FeIII e os compostos com mistura de átomos adenda TBAx[XW11VO40]·nH2O (X = P e Si). Seleccionou-se este conjunto de polioxotungstatos de forma a efectuar-se um estudo comparativo da influência da natureza do heteroátomo central (P e Si) e dos metais de transição M nas propriedades estudadas. O conjunto de sais de TBA dos silicotungstatos estudados mostraram ser isoestruturais, apresentando a mesma estrutura dos fosfotungstatos análogos. O comportamento electroquímico dos polioxotungstatos foi estudado em soluções de acetonitrilo por voltametria cíclica e electrólise a potencial controlado. Verificou-se a ocorrência de vários processos mono-electrónicos de oxi-redução, reversíveis ou quasi-reversíveis, associados aos átomos de WVI/V e a alguns dos metais de transição. Os metais em estado de oxidação +3 reduziram-se mais facilmente do que os átomos de WVI. O metal CuII apresentou um comportamento diferente dos outros metais de transição. Este metal, na estrutura do POM, reduziu-se a CuI, proporcionando a observação do anião [PW11CuIO39]6- pela primeira vez. A redução posterior do CuI conduziu à formação de Cu0, que se depositou na superfície do eléctrodo. A re-oxidação do cobre a CuII conduziu à reconstituição da estrutura do POM, nas condições estudadas. Constatou-se que a ocorrência de protões na fórmula molecular dos POMs influenciou o seu comportamento electroquímico. Para os compostos que apresentam protões, a redução dos átomos de tungsténio ocorreu a potenciais menos negativos do que para aqueles que não apresentam protões na sua fórmula. Para os primeiros observou-se a transferência global de um maior número de electrões no mesmo intervalo de potencial, originando soluções fortemente azuladas. Quando os catiões tetra-n-butilamónio foram substituídos por catiões de menor dimensão, como Li+ e Na+, ocorreu a formação de pares iónicos com os polianiões [PW12O40]3- e [SiW11VO40]5-, originando um aumento do potencial de redução. Não houve evidência da formação de pares iónicos com os catiões TBA+. Este foi o primeiro estudo sistemático do comportamento electroquímico dos aniões lacunares e mono-substituídos em meio não aquoso. Estudou-se a estrutura dos polioxotungstatos em sais de TBA e em soluções de acetonitrilo. A aplicação da técnica de EXAFS ao estudo deste tipo de compostos em solução foi realizada pela primeira vez. Pela análise estrutural nos sólidos verificou-se que, a natureza do metal de transição M e do átomo central X, na estrutura do POM, influenciam o tamanho dos vários octaedros que o constituem. Não se observaram diferenças significativas nas estruturas dos polianiões em solução. A estabilidade da estrutura dos polioxometalatos na presença de um excesso de H2O2, em soluções de acetonitrilo/H2O foi analisada por espectroscopia de absorção de EXAFS, RMN de 31P, IV e espectrofotometria de absorção no UV-Vis. De uma forma geral, os POMs em que o átomo central da estrutura é o Si apresentaram maior estabilidade do que os POMs correspondentes com átomo de P no centro. Em solução de acetonitrilo, na ausência de H2O2, todos os aniões mostraram ser estáveis durante vários dias. Em solução, na presença de H2O2 em excesso (H2O2/POM = 1300), o anião lacunar [PW11O39]7- não é estável, transformando-se no anião de Venturello, {PO4[W(O)(O2)2]4}3-, após a formação de [PW12O40]3-, como produto intermediário. Em relação aos aniões substituídos [PW11M(H2O)O39]p-, M = MnIII, RuIII, FeIII, CoII e ZnII, verificou-se o seguinte na presença de H2O2: os aniões com MnIII e CoII transformaram-se no anião de Keggin, [PW12O40]3-. Os aniões de RuIII e FeIII mantiveram as suas estruturas e o anião de ZnII decompôs-se em {HPO4[W(O)(O2)2]2}2- e fosfato. Para estes casos de não estabilidade estrutural, o processo de decomposição foi mais rápido na presença de maiores conteúdos de água. Pela análise de EXAFS, na presença de um menor excesso de H2O2 (H2O2/POM = 70) e apenas 8% de parte aquosa, verificou-se que os aniões substituídos por MnIII mantiveram a sua estrutura, embora o ligando H2O, coordenado ao Mn, tivesse sido substituído por um grupo oxo no polianião [SiW11Mn(H2O)O39]5-, e por um grupo peroxo no polianião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O anião com RuIII, nestas condições, também mostrou substituir o seu ligando H2O por um grupo peroxo ou hidrogenoperoxo. Os polioxotungstatos mono-substituídos e lacunares mostraram ser catalisadores eficientes para a oxidação de cis-cicloocteno, geraniol e ciclooctano com H2O2. A maior novidade deste trabalho residiu na actividade catalítica apresentada pelos silicotungstatos estudados, contrariando o que é referido na literatura. Outro aspecto inovador foi o elevado valor de conversão obtido para a oxidação de ciclooctano. Este substrato foi oxidado com 74% de conversão, após 2h de reacção e com 80% de selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo, na presença do anião [PW11Fe(H2O)O39]4-. Os restantes produtos de reacção foram o ciclooctanol e a ciclooctanona. Os silicotungstatos apresentaram maior selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo do que os fosfotungstatos. O geraniol foi completamente oxidado após 3h de reacção, com 82% de selectividade para o 2,3-epoxigeraniol, na presença do anião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O cis-cicloocteno foi oxidado ao seu epóxido, com 92% de conversão ao fim de 5h de reacção, na presença do anião lacunar [PW11O39]7-. O estudo da capacidade oxidativa do anião [SiW11VO40]5- foi analisada utilizando-se um modelo não fenólico da lenhina, a anisoína. Estudaram-se as condições favoráveis à obtenção de uma reacção selectiva para o anisilo, de forma a poder estudar-se a cinética da reacção. A estequiometria da reacção mostrou ser de 1:2 anisoína/POM. As ordens de reacção foram determinadas pelo método das velocidades iniciais e, a partir destes resultados, conheceu-se que o POM não estava envolvido no passo que limita a velocidade da reacção, sendo esta limitada pela transformação da anisoína. O estudo realizado sobre o efeito isotópico sugeriu que o passo que limitou a velocidade de reacção correspondeu à enolação da anisoína. Desta forma, observou-se pela primeira vez, que o POM oxida um modelo não fenólico da lenhina por via de enolação.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Multiple sulfur isotope fractionations in inorganic aqueous systems

New constraints on isotope fractionation factors in inorganic aqueous sulfur systems based on theoretical and experimental techniques relevant to studies of the sulfur cycle in modern environments and the geologic rock record are presented in this dissertation. These include theoretical estimations of equilibrium isotope fractionation factors utilizing quantum mechanical software and a water cluster model approach for aqueous sulfur compounds that span the entire range of oxidation state for sulfur. These theoretical calculations generally reproduce the available experimental determinations from the literature and provide new constraints where no others are available. These theoretical calculations illustrate in detail the relationship between sulfur bonding environment and the mass dependence associated with equilibrium isotope exchange reactions involving all four isotopes of sulfur. I additionally highlight the effect of isomers of protonated compounds (compounds with the same chemical formula but different structure, where protons are bound to either sulfur or oxygen atoms) on isotope partitioning in the sulfite (S4+) and sulfoxylate (S2+) systems, both of which are key intermediates in oxidation-reduction processes in the sulfur cycle. I demonstrate that isomers containing the highest degree of coordination around sulfur (where protonation occurs on the sulfur atom) have a strong influence on isotopic fractionation factors, and argue that isomerization phenomenon should be considered in models of the sulfur cycle. Additionally, experimental results of the reaction rates and isotope fractionations associated with the chemical oxidation of aqueous sulfide are presented. Sulfide oxidation is a major process in the global sulfur cycle due largely to the sulfide-producing activity of anaerobic microorganisms in organic-rich marine sediments. These experiments reveal relationships between isotope fractionations and reaction rate as a function of both temperature and trace metal (ferrous iron) catalysis that I interpret in the context of the complex mechanism of sulfide oxidation. I also demonstrate that sulfide oxidation is a process associated with a mass dependence that can be described as not conforming to the mass dependence typically associated with equilibrium isotope exchange. This observation has implications for the inclusion of oxidative processes in environmental- and global-scale models of the sulfur cycle based on the mass balance of all four isotopes of sulfur. The contents of this dissertation provide key reference information on isotopic fractionation factors in aqueous sulfur systems that will have far-reaching applicability to studies of the sulfur cycle in a wide variety of natural settings.

Surface structured platinum electrodes for the electrochemical reduction of carbon dioxide in imidazolium based ionic liquids

The direct CO2 electrochemical reduction on model platinum single crystal electrodes Pt(hkl) is studied in [C2mim+][NTf2−], a suitable room temperature ionic liquid (RTIL) medium due to its moderate viscosity, high CO2 solubility and conductivity. Single crystal electrodes represent the most convenient type of surface structured electrodes for studying the impact of RTIL ion adsorption on relevant electrocatalytic reactions, such as surface sensitive electrochemical CO2 reduction. We propose here based on cyclic voltammetry and in situ electrolysis measurements, for the first time, the formation of a stable adduct [C2mimH–CO2−] by a radical–radical coupling after the simultaneous reduction of CO2 and [C2mim+]. It means between the CO2 radical anion and the radical formed from the reduction of the cation [C2mim+] before forming the corresponding electrogenerated carbene. This is confirmed by the voltammetric study of a model imidazolium-2-carboxylate compound formed following the carbene pathway. The formation of that stable adduct [C2mimH–CO2−] blocks CO2 reduction after a single electron transfer and inhibits CO2 and imidazolium dimerization reactions. However, the electrochemical reduction of CO2 under those conditions provokes the electrochemical cathodic degradation of the imidazolium based RTIL. This important limitation in CO2 recycling by direct electrochemical reduction is overcome by adding a strong acid, [H+][NTf2−], into solution. Then, protons become preferentially adsorbed on the electrode surface by displacing the imidazolium cations and inhibiting their electrochemical reduction. This fact allows the surface sensitive electro-synthesis of HCOOH from CO2 reduction in [C2mim+][NTf2−], with Pt(110) being the most active electrode studied.

Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic and Computational Investigations of Chloroperoxidase Catalyzed Regio- and Enantio-Selective Transformations

Chloroperoxidase (CPO) is the most versatile heme-containing enzyme that catalyzes a broad spectrum of reactions. The remarkable feature of this enzyme is the high regio- and enantio-selectivity exhibited in CPO-catalyzed oxidation reactions. The aim of this dissertation is to elucidate the structural basis for regio- and enantio-selective transformations and investigate the application of CPO in biodegradation of synthetic dyes. To unravel the mechanism of CPO-catalyzed regioselective oxidation of indole, the dissertation explored the structure of CPO-indole complex using paramagnetic relaxation and molecular modeling. The distances between the protons of indole and the heme iron revealed that the pyrrole ring of indole is oriented toward the heme with its 2-H pointing directly at the heme iron. This provides the first experimental and theoretical explanation for the "unexpected" regioselectivity of CPO-catalyzed indole oxidation. Furthermore, the residues including Leu 70, Phe 103, Ile 179, Val 182, Glu 183, and Phe 186 were found essential to the substrate binding to CPO. These results will serve as a lighthouse in guiding the design of CPO mutants with tailor-made activities for biotechnological applications. To understand the origin of the enantioselectivity of CPO-catalyzed oxidation reactions, the interactions of CPO with substrates such as 2-(methylthio)thiophene were investigated by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and computational techniques. In particular, the enantioselectivity is partly explained by the binding orientation of substrates. In third facet of this dissertation, a green and efficient system for degradation of synthetic dyes was developed. Several commercial dyes such as orange G were tested in the CPO-H2O2-Cl- system, where degradation of these dyes was found very efficient. The presence of halide ions and acidic pH were found necessary to the decomposition of dyes. Significantly, the results revealed that this degradation of azo dyes involves a ferric hypochlorite intermediate of CPO (Fe-OCl), compound X.

“Acid-spike” effect in spurs/tracks of the low/high linear energy transfer radiolysis of water : potential implications for radiobiology and nuclear industry

Résumé : Les ions hydronium (H3O + ) sont formés, à temps courts, dans les grappes ou le long des trajectoires de la radiolyse de l'eau par des rayonnements ionisants à faible transfert d’énergie linéaire (TEL) ou à TEL élevé. Cette formation in situ de H3O + rend la région des grappes/trajectoires du rayonnement temporairement plus acide que le milieu environnant. Bien que des preuves expérimentales de l’acidité d’une grappe aient déjà été signalées, il n'y a que des informations fragmentaires quant à son ampleur et sa dépendance en temps. Dans ce travail, nous déterminons les concentrations en H3O + et les valeurs de pH correspondantes en fonction du temps à partir des rendements de H3O + calculés à l’aide de simulations Monte Carlo de la chimie intervenant dans les trajectoires. Quatre ions incidents de différents TEL ont été sélectionnés et deux modèles de grappe/trajectoire ont été utilisés : 1) un modèle de grappe isolée "sphérique" (faible TEL) et 2) un modèle de trajectoire "cylindrique" (TEL élevé). Dans tous les cas étudiés, un effet de pH acide brusque transitoire, que nous appelons un effet de "pic acide", est observé immédiatement après l’irradiation. Cet effet ne semble pas avoir été exploré dans l'eau ou un milieu cellulaire soumis à un rayonnement ionisant, en particulier à haut TEL. À cet égard, ce travail soulève des questions sur les implications possibles de cet effet en radiobiologie, dont certaines sont évoquées brièvement. Nos calculs ont ensuite été étendus à l’étude de l'influence de la température, de 25 à 350 °C, sur la formation in situ d’ions H3O + et l’effet de pic acide qui intervient à temps courts lors de la radiolyse de l’eau à faible TEL. Les résultats montrent une augmentation marquée de la réponse de pic acide à hautes températures. Comme de nombreux processus intervenant dans le cœur d’un réacteur nucléaire refroidi à l'eau dépendent de façon critique du pH, la question ici est de savoir si ces fortes variations d’acidité, même si elles sont hautement localisées et transitoires, contribuent à la corrosion et l’endommagement des matériaux.

Caractéristiques d’antennes térahertz photoconductrices de type micro-ruban coplanaire

Ce projet de recherche a permis d'étudier l'émission d'un rayonnement térahertz (THz) par des antennes photoconductrices (PC) émettrices de type micro-ruban coplanaire. Ces antennes sont fabriquées sur substrats d'arséniure de gallium semi-isolant (GaAs-SI) ou sur ce même substrat ayant subit un traitement d'implantation ionique aux protons suivi d'un recuit thermique (GaAs:H). L'influence de ce procédé de fabrication sur les propriétés du matériau photoconducteur et sur les caractéristiques de l'antenne émettrice a été étudiée. Des mesures de photoconductivité résolue en temps effectuées sur les deux types de substrat montrent que le procédé d'implantation/recuit a eu pour effet de diminuer le temps de vie des photoporteurs de 630 ps à environ 4 ps, tandis que la mobilité n'est réduite que d'un facteur maximum de 1,6. Cette valeur de la mobilité des photoporteurs a par ailleurs été estimée à environ 100 cm$^2$/(V.s) pour le substrat GaAs:H. Les mesures électriques effectuées sur les antennes fabriquées sur les deux types de substrat montrent que le procédé d'implantation/recuit permet d'augmenter la résistivité de la couche active du dispositif d'un facteur 10 (elle passerait de 10$^{8}$ $\Omega$.cm pour le GaAs-SI à 10$^9$ $\Omega$.cm pour le GaAs:H). Les courbes courant-tension, en obscurité et sous illumination, de ces antennes suggèrent également que la densité de pièges profonds est fortement augmentée suite au traitement d'implantation/recuit. L'étude des caractéristiques des diverses antennes a permis de montrer l'intérêt de ce procédé de fabrication. Pour les antennes fabriquées sur GaAs:H, la largeur de bande est améliorée (elle atteint environ 3 THz) et l'amplitude du champ THz émis est augmentée par un facteur 1,4 (dans les mêmes conditions expérimentales). Le rapport signal/bruit des traces THz mesurées sur les antennes les plus performantes est $>$ 200. Une plus grande résistivité et une densité de pièges profonds plus élevée, permet d'appliquer de plus fortes tensions de polarisation sur ces antennes GaAs:H. Finalement, nos résultats ont montré que les améliorations des caractéristiques d'émission de ces antennes THz sont corrélées à la présence d'un champ électrique local plus élevé du coté de l'anode du dispositif.

Méthodes de segmentation du ventricule gauche basée sur l'algorithme graph cut pour les images par résonance magnétique et échocardiographiques

L’échocardiographie et l’imagerie par résonance magnétique sont toutes deux des techniques non invasives utilisées en clinique afin de diagnostiquer ou faire le suivi de maladies cardiaques. La première mesure un délai entre l’émission et la réception d’ultrasons traversant le corps, tandis que l’autre mesure un signal électromagnétique généré par des protons d’hydrogène présents dans le corps humain. Les résultats des acquisitions de ces deux modalités d’imagerie sont fondamentalement différents, mais contiennent dans les deux cas de l’information sur les structures du coeur humain. La segmentation du ventricule gauche consiste à délimiter les parois internes du muscle cardiaque, le myocarde, afin d’en calculer différentes métriques cliniques utiles au diagnostic et au suivi de différentes maladies cardiaques, telle la quantité de sang qui circule à chaque battement de coeur. Suite à un infarctus ou autre condition, les performances ainsi que la forme du coeur en sont affectées. L’imagerie du ventricule gauche est utilisée afin d’aider les cardiologues à poser les bons diagnostics. Cependant, dessiner les tracés manuels du ventricule gauche requiert un temps non négligeable aux cardiologues experts, d’où l’intérêt pour une méthode de segmentation automatisée fiable et rapide. Ce mémoire porte sur la segmentation du ventricule gauche. La plupart des méthodes existantes sont spécifiques à une seule modalité d’imagerie. Celle proposée dans ce document permet de traiter rapidement des acquisitions provenant de deux modalités avec une précision de segmentation équivalente au tracé manuel d’un expert. Pour y parvenir, elle opère dans un espace anatomique, induisant ainsi une forme a priori implicite. L’algorithme de Graph Cut, combiné avec des stratégies telles les cartes probabilistes et les enveloppes convexes régionales, parvient à générer des résultats qui équivalent (ou qui, pour la majorité des cas, surpassent) l’état de l’art ii Sommaire au moment de la rédaction de ce mémoire. La performance de la méthode proposée, quant à l’état de l’art, a été démontrée lors d’un concours international. Elle est également validée exhaustivement via trois bases de données complètes en se comparant aux tracés manuels de deux experts et des tracés automatisés du logiciel Syngovia. Cette recherche est un projet collaboratif avec l’Université de Bourgogne, en France.