Phytochemical investigation of alpine plants : the cottonsedges Eriophorum scheuchzeri Hoppe, E. angustifolium Honck. and E. latifolium Hoppe (CYPERACEAE)

Résumé: Alpine plants living at high altitudes undergo a series of climatic stress factors (chilling, enhanced UV radiation, short growing season, low nutriment supply...) which may influence their secondary compounds composition. Many publications showed in these last years that plants under stress conditions do synthesize a range of specific defence compounds (terpenes, flavonoids, coumarines...). A careful phytochemical investigation of those plants could therefore lead to the discovery of active molecules. Thus, for the biological and chemical screening, about 30 alpine plants have been collected above 2000 metres, in the alpine grass-lands. Eriophorum scheuchzeri Hoppe (Cyperaceae), not yet investigated phytochemically, revealed in its lipophilic and polar extracts the presence of various radical scavengers in a TLC autography with the DPPH (2,2-dipheny1-1- picrylhydrazyl) radical as spray reagent, as well as several antifungal compounds acitve against Cladosporium cucumerinum and Candida albi cans. The first part of this study consisted in the detection, isolation and characterization of the bioactive natural compounds present in the lipophilic extract of Eriophorum scheuchzeri. Among the eight isolated compounds, six were isoflavones. No isoflavones have been reported in the Cyperaceae family yet, nor in related families such as Poaceae or Juncaceae. Besides, isoflavones are generally rare in the plant kingdom and and they occur only in some families, such as Fabaceae, Rosaceae or Myristicaceae. In addition, out of these six isoflavones, three were new isoflavones. The known compounds were parvisoflavone A and B and cajanin which are already known isoflavones in the Fabaceae family. Two of the new isoflavones were particular, as they were C-methylated on the B-ring at the C-3' position. Methylated flavonoids are particularly rare in the plant kingdom. At present, no C-methylated isoflavones with methyl groups on the B-ring have ever been reported. The fourth new compound was a prenylated flavanone. Flavanones are also rare in the Cyperaceae family since they were found only in two genera (Cyperus and Schoenus). Finally, the widespread flavone tricin, characteristic of the Cyperaceae and Poaceae family has also been isolated. The second part of this study consisted in the characterization of the polar components present in the Me0H extract. In order to obtain mass and UV information about the secondary compounds present in the Eriophorum scheuchzeri methanolic extract, a LC-UV/DAD-APCl/MSn analysis has been performed as a first dereplication step. The UV/DAD spectra showed the presence of polyphenol compounds (phenylpropanoids and flavonoids). The LC-APCI/MSn analysis allowed the determination of the molecular weight of these compounds. Moreover, the fragmentation pattern of the [M+H]+ ions indicated presence of mono-, di- and tri-glycosides. LC-UV in combination with UV shift reagents added post-column was used in a second phase for the structural elucidation of the flavonoids. It allowed the positioning of the sugars on the aglycones. Finally, LC-NMR was used for a more detailed structural investigation of the compounds present in the crude MEOH extract. Thus, 10 fiavonoids have been totally or partially characterized by LC-UV-MS and LC-1H-RMN and UV-shift reagents added post column. However, the information obtained on-line was not always sufficient to allow a complete identification of all the compounds. Some of these compounds especially those with more than two sugar units attached to them, have been isolated in order to proceed to their complete characterization. Moreover, the Eriophorum scheuchzeri species was compared to two other species from the same genus. A LC-UV-ESI/MS analysis enabled a survey of the chemical composition of the DCM extracts of two related species E. angustifolium (Honck) and E. latifolium (Hoppe). The chromatograms of the three species showed some similarities in their flavonoid contents, especially by the recurrent presence of three compounds. The MEOH extracts of all three species have been compared by means of LC-UV-APCl/MS analyses. The chromatographic profile of all the three species showed even closer similarities than those found in the DCM extracts. E. angustifolium Honck. and E. latifolium species showed 7 compounds in common. Finally, the pure compounds obtained from the DCM (CH2Cl2) fraction were tested at different concentration, in order to evaluate their chemical and biological activities. All eight compounds showed an anti-scavenger activity against the DPPH radical, and four compounds showed antifungal activities against Cladosporium cucumerinum and Candida albicans. The pure compounds isolated from the MeOH extract were tested only for their biological activities as their antioxidant activity is already well documented in the literature. No compound showed a biological activity against Cladosporium cucumerinum and Candida albicans. Résumé: De nombreux travaux ont démontré ces dernières décennies que les plantes soumises à différents types de stress (basse température, UV, stress hydrique) synthétisent des composés secondaires (fiavonoides, coumarines, terpènes...) de protection et de défense. Les plantes d'altitude par exemple qui sont exposées à des conditions climatiques et environnementales difficiles, ont tendance à synthétiser des substances antioxydantes et antiradicalaires. Une investigation phytochirnique de ces plantes a conduit à la découverte de nouvelles molécules actives. Ainsi plusieurs plantes alpines ont été sélectionnées en fonction de leur habitat en vue de les soumettre aux tests biologiques (antifongiques) et chimiques (antiradicalaires) menés en routine dans notre laboratoire. Dans ce criblage biologique préliminaire, les extraits d'Eriophorum scheuchzeri Hoppe (Cyperaceae) ont réagi positivement aux différents tests. Il a donc été décidé d'entreprendre l'isolement des composés actifs. La première partie de ce travail a consisté à détecter, isoler et caractériser les composés naturels actifs présents dans l'extrait apolaire d' Eriophorum scheuchzeri. Parmi les huit composés isolés, quatre d'entre eux sont nouveaux. Un de ces produits est une flavanone et trois sont de nouvelles isoflavones, particulièrement intéressantes car elles possèdent des groupements C-méthylés au niveau du cycle B. Les flavonoides C-méthylés sont peu répandus dans le règne végétal et les rares exemples connus sont généralement C-méthylés sur le cycle A. Les quatre autres composés isolés n'ont jamais été décrits dans cette famille. Il s'agit d' isoflavones, les parvisoflavones A et B et la cajanine. Enfin, la flavone tricine, flavonoide caractéristique des Cyperaceae et des Poaceae a également été isolée. La deuxième partie de ce travail a consisté à caractériser les constituants polaires présents dans l'extrait methanolique. L'extrait a été analysé par chromatographie analytique couplée à différentes méthodes spectroscopiques (LC-UV-MS et LC-UV-1H RMN). De cette façon, douze flavonoides et un dérivé du phénylpropane, l'acide chlorogénique ont été identifiés. Les flavonoides tri-glycosylés ont dû être isolés afin de déterminer la nature et l'enchaînement des sucres. Finalement, l'espèce Eriophorum scheuchzeri a été comparée à deux autres espèces d' Eriophorum, soit E. angustifolium et E. latifolium. En conclusion, cette étude phytochimique a abouti à l'isolement de plusieurs nouvelles isoflavones aux activités antioxydantes et antifongiques ainsi qu'oestrogéniques.

Investigation of Field Corrosion Performance and Bond/Development Length of Galvanized Reinforcing Steel, TR-666, 2014

In reinforced concrete systems, ensuring that a good bond between the concrete and the embedded reinforcing steel is critical to long-term structural performance. Without good bond between the two, the system simply cannot behave as intended. The bond strength of reinforcing bars is a complex interaction between localized deformations, chemical adhesion, and other factors. Coating of reinforcing bars, although sometimes debated, has been commonly found to be an effective way to delay the initiation of corrosion in reinforced concrete systems. For many years, the standard practice has been to coat reinforcing steel with an epoxy coating, which provides a barrier between the steel and the corrosive elements of water, air, and chloride ions. Recently, there has been an industry-led effort to use galvanizing to provide the protective barrier commonly provided by traditional epoxy coatings. However, as with any new structural product, questions exist regarding both the structural performance and corrosion resistance of the system. In the fall of 2013, Buchanan County, Iowa constructed a demonstration bridge in which the steel girders and all internal reinforcing steel were galvanized. The work completed in this project sought to understand the structural performance of galvanized reinforcing steel as compared to epoxy-coated steel and to initiate a long-term corrosion monitoring program. This work consisted of a series of controlled laboratory tests and the installation of a corrosion monitoring system that can be observed for years in the future. The results of this work indicate there is no appreciable difference between the bond strength of epoxy-coated reinforcing steel and galvanized reinforcing steel. Although some differences were observed, no notable difference in either peak load, slip, or failure mode could be identified. Additionally, a long-term monitoring system was installed in this Buchanan County bridge and, to date, no corrosion activity has been identified.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

Evolution of the ferric reductase domain (FRD) superfamily: modularity, functional diversification, and signature motifs.

A heme-containing transmembrane ferric reductase domain (FRD) is found in bacterial and eukaryotic protein families, including ferric reductases (FRE), and NADPH oxidases (NOX). The aim of this study was to understand the phylogeny of the FRD superfamily. Bacteria contain FRD proteins consisting only of the ferric reductase domain, such as YedZ and short bFRE proteins. Full length FRE and NOX enzymes are mostly found in eukaryotic cells and all possess a dehydrogenase domain, allowing them to catalyze electron transfer from cytosolic NADPH to extracellular metal ions (FRE) or oxygen (NOX). Metazoa possess YedZ-related STEAP proteins, possibly derived from bacteria through horizontal gene transfer. Phylogenetic analyses suggests that FRE enzymes appeared early in evolution, followed by a transition towards EF-hand containing NOX enzymes (NOX5- and DUOX-like). An ancestral gene of the NOX(1-4) family probably lost the EF-hands and new regulatory mechanisms of increasing complexity evolved in this clade. Two signature motifs were identified: NOX enzymes are distinguished from FRE enzymes through a four amino acid motif spanning from transmembrane domain 3 (TM3) to TM4, and YedZ/STEAP proteins are identified by the replacement of the first canonical heme-spanning histidine by a highly conserved arginine. The FRD superfamily most likely originated in bacteria.

CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

Membrane lipid composition affects plant heat sensing and modulates Ca ( 2+) -dependent heat shock response.

Understanding how plants sense and respond to heat stress is central to improve crop tolerance and productivity. Recent findings in Physcomitrella patensdemonstrated that the controlled passage of calcium ions across the plasma membrane regulates the heat shock response (HSR). To investigate the effect of membrane lipid composition on the plant HSR, we acclimated P. patens to a slightly elevated yet physiological growth temperature and analysed the signature of calcium influx under a mild heat shock. Compared to tissues grown at 22°C, tissues grown at 32°C had significantly higher overall membrane lipid saturation level and, when submitted to a short heat shock at 35°C, displayed a noticeably reduced calcium influx and a consequent reduced heat shock gene expression. These results show that temperature differences, rather than the absolute temperature, determine the extent of the plant HSR and indicate that membrane lipid composition regulates the calcium-dependent heat-signaling pathway.

Assessment of diesel exhaust particulate exposure and surface characteristics in association with levels of oxidative stress biomarkers

Exposure to PM10 and PM2.5 (particulate matter with aerodynamic diameter smaller than 10 &#956;m and 2.5 &#956;m, respectively) is associated with a range of adverse health effects, including cancer, pulmonary and cardiovascular diseases. Surface characteristics (chemical reactivity, surface area) are considered of prime importance to understand the mechanisms which lead to harmful effects. A hypothetical mechanism to explain these adverse effects is the ability of components (organics, metal ions) adsorbed on these particles to generate Reactive Oxygen Species (ROS), and thereby to cause oxidative stress in biological systems (Donaldson et al., 2003). ROS can attack almost any cellular structure, like DNA or cellular membrane, leading to the formation of a wide variety of degradation products which can be used as a biomarker of oxidative stress. The aim of the present research project is to test whether there is a correlation between the exposure to Diesel Exhaust Particulate (DEP) and the oxidative stress status. For that purpose, a survey has been conducted in real occupational situations where workers were exposed to DEP (bus depots). Different exposure variables have been considered: - particulate number, size distribution and surface area (SMPS); - particulate mass - PM2.5 and PM4 (gravimetry); - elemental and organic carbon (coulometry); - total adsorbed heavy metals - iron, copper, manganese (atomic adsorption); - surface functional groups present on aerosols (Knudsen flow reactor). Several biomarkers of oxidative stress (8-hydroxy-2'-deoxyguanosine and several aldehydes) have been determined either in urine or serum of volunteers. Results obtained during the sampling campaign in several bus depots indicated that the occupational exposure to particulates in these places was rather low (40-50 &#956;g/m3 for PM4). Bimodal size distributions were generally observed (5 &#956;m and <1 &#956;m). Surface characteristics of PM4 varied strongly, depending on the bus depot. They were usually characterized by high carbonyl and low acidic sites content. Among the different biomarkers which have been analyzed within the framework of this study, mean urinary levels of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine increased significantly (p<0.05) during two consecutive days of exposure for non-smoker workers. On the other hand, no statistically significant differences were observed for serum levels of hexanal, nonanal and 4- hydroxy-nonenal (p>0.05). Biomarkers levels will be compared to exposure variables to gain a better understanding of the relation between the particulate characteristics and the formation of ROS by-products. This project is financed by the Swiss State Secretariat for Education and Research. It is conducted within the framework of the COST Action 633 "Particulate Matter - Properties Related to Health Effects".

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

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

Heavy metal ions are potent inhibitors of protein folding.

Environmental and occupational exposure to heavy metals such as cadmium, mercury and lead results in severe health hazards including prenatal and developmental defects. The deleterious effects of heavy metal ions have hitherto been attributed to their interactions with specific, particularly susceptible native proteins. Here, we report an as yet undescribed mode of heavy metal toxicity. Cd2+, Hg2+ and Pb2+ proved to inhibit very efficiently the spontaneous refolding of chemically denatured proteins by forming high-affinity multidentate complexes with thiol and other functional groups (IC(50) in the nanomolar range). With similar efficacy, the heavy metal ions inhibited the chaperone-assisted refolding of chemically denatured and heat-denatured proteins. Thus, the toxic effects of heavy metal ions may result as well from their interaction with the more readily accessible functional groups of proteins in nascent and other non-native form. The toxic scope of heavy metals seems to be substantially larger than assumed so far.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Biosynthesis of pyochelin and dihydroaeruginoic acid requires the iron-regulated pchDCBA operon in Pseudomonas aeruginosa.

The high-affinity siderophore salicylate is an intermediate in the biosynthetic pathway of pyochelin, another siderophore and chelator of transition metal ions, in Pseudomonas aeruginosa. The 2.5-kb region upstream of the salicylate biosynthetic genes pchBA was sequenced and found to contain two additional, contiguous genes, pchD and pchC, having the same orientation. The deduced amino acid sequence of the 60-kDa PchD protein was similar to those of the EntE protein (2,3-dihydroxybenzoate-AMP ligase) of Escherichia coli and other adenylate-forming enzymes, suggesting that salicylate might be adenylated at the carboxyl group by PchD. The 28-kDa PchC protein showed similarities to thioesterases of prokaryotic and eukaryotic origin and might participate in the release of the product(s) formed from activated salicylate. One potential product, dihydroaeruginoate (Dha), was identified in culture supernatants of iron-limited P. aeruginosa cells. The antifungal antibiotic Dha is thought to arise from the reaction of salicylate with cysteine, followed by cyclization of cysteine. Inactivation of the chromosomal pchD gene by insertion of the transcription and translation stop element omega Sm/Sp abolished the production of Dha and pyochelin, implying that PchD-mediated activation of salicylate may be a common first step in the synthesis of both metabolites. Furthermore, the pchD::omega Sm/Sp mutation had a strong polar effect on the expression of the pchBA genes, i.e., on salicylate synthesis, indicating that the pchDCBA genes constitute a transcriptional unit. A full-length pchDCBA transcript of ca. 4.4 kb could be detected in iron-deprived, growing cells of P. aeruginosa. Transcription of pchD started at tandemly arranged promoters, which overlapped with two Fur boxes (binding sites for the ferric uptake regulator) and the promoter of the divergently transcribed pchR gene encoding an activator of pyochelin biosynthesis. This promoter arrangement allows tight iron-mediated repression of the pchDCBA operon.

Structure function relationships of ENaC and its role in sodium handling.

The epithelial sodium channel (ENaC) in the apical membrane of polarized epithelial cells is the rate-limiting step for Na entry into the cell; in series with the basolateral Na pump, it allows the vectorial transepithelial transport of Na ions. ENaC is expressed in different epithelia like the distal nephron or colon, and the airways epithelium. In the lung ENaC controls the composition and the amount of pulmonary fluid, whereas in the distal nephron ENaC under the control of aldosterone and vasopressin, is essential to adapt the amount of Na+ reabsorbed with the daily sodium intake. Activating mutations of ENaC cause severe disturbances of Na+ homeostasis leading to hypertension in human and in mouse models. Functional expression of ENaC in different cell systems allowed the identification of structural domains of the protein that are essential for channel function and/or modulation of channel activity. Site-directed mutations in specific domains of the channel protein lead to channel hyperactivity or channel loss of function. Knowledge about ENaC structure-function relationships opens new opportunities for development of pharmacological tools for controlling ENaC activity, such as channel activators of potential benefit in the treatment of pulmonary edema, or highly potent ENaC blockers with natriuretic effects.

Purification and fractionation by nanotiltration in dairy and sugar and sweetener industry applications

Nanotiltration is a membrane separation method known for its special characteristic of rejecting multivalent ions and passing monovalent ions. Thus, it is commonly applied with dilute aqueous solutions in partial salt removal, like in drinking water production. The possibilities of nanofiltration have been studied and the technique applied in a wide branch of industries, e.g. the pulp and paper, the textile and the chemical processing industry. However, most present applications and most of the potential applications studied involve dilute solutions, the permeating stream being generally water containing monovalent salts. In this study nanotiltration is investigated more as a fractionation method. A well-known application in the dairy industry is concentration and partial salt removal from whey. Concentration and partial demineralization is beneficial for futher processing of whey as whey concentrates are used e.g. in baby foods. In the experiments of this study nanotiltration effectively reduced the monovalent salts in the whey concentrate. The main concern in this application is lactose leakage into the permeate. With the nanofiltration membranes used the lactose retentions were practically ? 99%. Another dairy application studied was the purification and reuse of cleaning solutions. This is an environmentally driven application. An 80% COD reduction by nanofiltration was observed for alkaline cleaning-in-place solution. Nanofiltration is not as commonly applied in the sugar and sweeteners industry as in the dairy industry. In this study one potential application was investigated, namely xylose purification from hemicellulose hydrolyzate. Xylose is raw material for xylitol production. Xylose separation from glucose was initially studied with xylose-glucose model solutions. The ability of nanofiltration to partially separate xylose into the permeate from rather concentrated xylose-glucose solutions (10 w-% and 30 w-%) became evident. The difference in size between xylose and glucose molecules according to any size measure is small, e.g. the Stokes diameter of glucose is 0.73 nm compared to 0.65 nm for xylose. In further experiments, xylose was purified into nanoliltration permeate from a hemicellulose hydrolyzate solution. The xylose content in the total solids was increased by 1.4—1.7 fold depending on temperature, pressure and feed composition.

Photocatalytic oxidation of humic substances and lignins in aqueous solutions

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kahden yleisen, veden ympäristökuormitusta aiheuttavan kemikaaliryhmän, ligniinin ja humusaineiden, fotokatalyyttistahapetusta (photocatalytic oxidation, PCO) vesiliuoksessa. Fotokatalyyttina käytettiin titaanidioksidia, jota säteilytettiin ultraviolettivalolla. Työssä selvitettiin useiden eri olosuhdeparametrien vaikutusta fotokatalyysiin. Tutkittavia parametreja olivat mm. kontaminanttien alkukonsentraatio, pH, vetyperoksidilisäys, rauta-ionien lisäys, fotokatalyysimenetelmä, fotokatalyytin pintakonsentraatioja titaanidioksidin määrä lasisissa mikropartikkeleissa. Ultraviolettivalon lähteinä käytettiin sekä keinovaloa että auringonvaloa. Katalyytin kantoaineena käytettiin huokoisia lasisia mikropartikkeleita, joiden pintaan kiinnittynyt titaanidioksidi pystyi hyvin vähentämään kontaminanttien määrää vedessä. Fotokatalyysin tehokkuus kasvoi humusaine- ja ligniinikonsentraatioiden kasvaessa. Korkeimmat hapetustehokkuudet kumallakin kontaminantilla saavutettiin neutraaleissa jalievästi emäksisissä olosuhteissa huolimatta siitä, että paras adsorboituminen tapahtui happamissa olosuhteissa. Tämän perusteella voidaan olettaa, että humusaineiden ja ligniinin hapetus tapahtuu pääosin radikaalimekanismilla. Vetyperoksidin lisääminen humusaineliuokseen lisäsi hapettumisnopeutta, vaikka näennäinen hapetustehokkuus ei muuttunut. Tämän perusteella vetyperoksidi hapetti myös humusaineita referenssinäytteessä. Ligniinin fotokatalyyttinen hapettuminen parani vetyperoksidilisäyksellä happamissa olosuhteissa johtuen lisääntyneestä OH-radikaalien muodostumisesta. Ligniini ei hapettunut vetyperoksidilla, jos fotokatalyyttiä ei¿ollut läsnä. Rauta-ionit eivät lisänneet humushappojen fotokatalyyttistähapettumista, mutta Fe2+-ionien lisäys aina konsentraatioon 0.05 mM johti ligniinin hapettumistehokkuuden voimakkaaseen kasvuun. Rauta-ionikonsentraation kasvattaminen edelleen johti ligniinin hapetustehokkuuden alenemiseen.

Up-conversion effect of Er- and Yb-doped ZnO thin films

Visible up-conversion in ZnO:Er and ZnO:Er:Yb thin films deposited by RF magnetron sputtering under different O2-rich atmospheres has been studied. Conventional photoluminescence (325 nm laser source) and up-conversion (980 nm laser source) have been performed in the films before and after an annealing process at 800 °C. The resulting spectra demonstrate that the thermal treatment, either during or post-deposition, activates optically the Er3+ ions, being the latter process much more efficient. Moreover, the atmosphere during deposition was also found to be an important parameter, as the deposition under O2 flow increases the optical activity of Er+3 ions. In addition, the inclusion of Yb3+ ions into the films has shown an enhancement of the visible up-conversion emission at 660 nm by a factor of 4, which could be associated to either a better energy transfer from the 2F5/2 Yb level to the 4I11/2 Er one, or to the prevention of having Er2O3 clustering in the films.