Dégradation chimique de l’interface cathodique carbone-fonte de cellules de production d’aluminium

Les producteurs d’aluminium sont des acteurs majeurs dans l’économie du Québec. Le métal gris est apprécié pour sa légèreté et sa résistance à la corrosion. Bien qu’il possède des qualités indéniables, sa production consomme une quantité considérable d’électricité. L’amélioration de l’efficacité énergétique du procédé est donc primordiale d’un point de vue économique et environnemental. L’étude du contact électrique entre le carbone et la fonte à l’intérieur de l’ensemble cathodique fait partie de la liste des paramètres pour optimiser la consommation énergétique de la cellule Hall-Héroult. Ce contact doit offrir une résistance minimale au passage du courant nécessaire pour la réaction d’électrolyse. Au cours du temps, la qualité du contact se dégrade en raison de la transformation physique et chimique des matériaux. Cette thèse se concentre sur l’étude de la dégradation chimique de la surface de la fonte. La première partie étudie la pénétration des composés chimiques provenant du bain d’électrolyse à l’intérieur du bloc de carbone. Le gonflement sodique suit généralement la diffusion du sodium, un sous-produit de la réaction cathodique, et du bain. Le gonflement causé par le sodium a été mesuré directement à l’aide de LVDT alors que la diffusion du bain électrolytique a été déterminée par microtomographie à rayons X. La seconde partie évalue le mécanisme de la dégradation du contact électrique entre le carbone et la fonte. Des travaux en laboratoire ont été réalisés pour quantifier l’impact des paramètres d’opération. Les résultats obtenus ont été comparés par la suite à des échantillons industriels provenant de deux technologies pour évaluer leur degré de dégradation. Un modèle numérique a été calibré à partir de ces résultats pour estimer l’effet de la dégradation de la fonte sur la chute de voltage cathodique. Les résultats démontrent que les paramètres d’opération de la cellule d’électrolyse ont des effets sur la vitesse de pénétration des espèces chimiques dans le bloc de carbone. Un bain plus riche en sodium ou une densité de courant cathodique plus élevée augmente la vitesse de pénétration. La présence d’une nappe d’aluminium au démarrage de l’électrolyse au contraire divise le gonflement et la pénétration du bain de moitié. La vitesse de dégradation de la fonte suit la même tendance. De plus, une augmentation de température de 50 °C provoque une fusion partielle de la surface de la fonte. Ces résultats intégrés au modèle numérique montre que la dégradation du contact entre le carbone et la fonte augmente la chute de voltage cathodique mais aussi change la distribution du courant à la surface du bloc de carbone. La détermination du mécanisme de dégradation de la fonte par des essais en laboratoire combinée avec la pénétration des espèces chimiques constitue l’apport original de cette thèse et ceci permet d’éclaircir le processus d’évolution de ce contact électrique sous condition d’opération.

Synthesis and characterization of defective PBAs electrode material

Sodium manganese hexacyanoferrate (NaMnHCF) and its derivatives have been synthesized by simple co-precipitation method with addition of the citric and ascorbic acids respectively. The correspondent crystal structure, water content, chemical formula and a deep structural investigation of prepared samples have been performed by means of the combination of the laboratory and synchrotron techniques (PXRD, FT-IR, TGA, MP-AES and XAS). Electrochemical tests have been done using three-electrode system in sodium nitrate solution at different concentration. From cyclic voltammetry curves, Fe3+/2+ redox peak has been observed, whereas Mn3+/2+ peak was not always evident. Structural stability of the cycled samples has then been tested using 2D XRF imaging and Transmission X-ray microscopy (TXM) techniques. The intercalation of NaMnHCF after 20 cycles has been found by micro-XANES analysis of the highlighted spots which have been found in the XRF images. TXM has also confirmed the appearance of the intercalated particles after 50 cycles comparing the spectra between charged and discharged materials at three different edges (Mn, Fe and N). However, by comparison with lithium samples, it seems obvious that sodium samples are more homogeneous and intercalation is at the very beginning indicating the relative structural stability of sodium manganese hexacyanoferrate electrode material.

Production endogène de Nortestostérone chez l'homme et influence de l'activité physique et du régime alimentaire

RESUME Depuis les années 1980, les stéroïdes androgéniques anabolisants (SAA) sont restés les produits dopants les plus utilisés par les sportifs. Les propriétés principales attribuées à ces substances sont une augmentation de la masse et de la force musculaire ainsi qu'une agressivité supérieure pouvant s'avérer bénéfique lors des entraînements ou des compétitions. En plus de cette "tradition" liée à la consommation des SAA, une autre problématique est apparue dans le monde antidopage suite à la fulgurante expansion de l'utilisation des compléments alimentaires par les athlètes professionnels et amateurs. Dès la fin des années 1990, une recrudescence de cas positifs de dopage aux SAA a été attribuée à la contamination des compléments alimentaires par des composés anabolisants tels que la testostérone ou la nandrolone ou par des prohormones se situant en amont dans le métabolisme de certains SAA et conduisant à la présence, dans les urines, de traces de substances interdites par l'Agence Mondiale Antidopage (AMA). Afin de mettre en garde les autorités antidopage ainsi que les athlètes quant aux problèmes liés aux compléments alimentaires, le Laboratoire Suisse d'Analyse du Dopage (LAD) a décidé d'étudier de manière plus précise la composition d'une centaine de produits accessibles en Suisse par l'intermédiaire d'internet. Cette étude a permis de mettre en évidence un taux de non conformité des produits avoisinant les 20%, avec une contamination plus importante des produits contenant des hormones ou des prohormones. La consommation de doses journalières recommandées des produits contaminés a mené à la détection dans les urines de la présence de substances interdites par l'AMA. Ces résultats confirment ainsi que l'usage de compléments alimentaires peut s'avérer dangereuse dans le cadre de contrôles antidopage et que les effets sur l'état physique et mental des athlètes peuvent dépasser les effets désirés et être dramatiques pour la poursuite d'une carrière sportive. D'autre part, cela démontre que l'alimentation peut mener à la présence urinaire de substances proscrites telles que les métabolites de la nandrolone, la 19-norandrostéreone (19-NA) et la 19-norétiocholanolone (19-NE). Afin de démontrer un effet potentiel de l'exercice physique sur l'excrétion urinaire des métabolites de la nandrolone, une première étude clinique a été réalisée avec 34 volontaires. Deux doses orales de nandrolone marquée avec deux atomes de C13 ont été administrées aux sujets. Les urines ont été récoltées durant les 5 jours suivant les prises orales (études d'excrétion) ainsi qu'avant et après les 8 séances d'entraînements du protocole. Les analyses des études d'excrétion ont permis d'établir une variabilité intra- et inter-individuelle du métabolisme et de la pharmacocinétique de la 19-NA et de la 19-NE. En dépit de la rapide élimination urinaire des métabolites de la nandrolone C13, les analyses des échantillons prélevés avant et après les différents efforts n'ont pas révélé une influence nette de l'exercice physique sur les concentrations urinaires de la 19-NA et 19-NE. Une seconde étude clinique a été effectuée, avec la participation de 30 volontaires. Il s'agissait de déterminer si la consommation de multiples doses orales d'un décanoate de testostérone, de 19-norandrostenedione (un précurseur de la nandrolone) ou de placebo durant un mois, pouvait avoir des effets bénéfiques sur la récupération et la performance physique. En parallèle, les sujets étaient soumis à un entrainement d'endurance intense et individualisé. Divers paramètres physiologiques ont été étudiés dans le sérum et les urines afin de mettre en évidence une meilleure récupération de l'organisme. Aucun de ses paramètres n'a permis de conclure que la consommation orale de SAA est favorable pour optimaliser les capacités de récupération des athlètes. De plus, les performances physiques ont été évaluées avant et après l'entraînement et le traitement. Aucune différence significative n'a été démontrée entre les trois groupes de volontaires. L'état psychologique des volontaires a été évalué à l'aide de questionnaires (short Profile of Mood State, sPOMS) remplis à trois reprises au cours du protocole. De manière générale, l'évolution observée est une augmentation de la fatigue avec une diminution de la vigueur. Des analyses statistiques ont révélé que des prises orales de testostérone, et dans une moindre mesure de 19-norandrostenedione, ont une légère influence sur cette évolution générale en diminuant les effets de l'entrainement sur le profil psychologique. Les urines récoltées durant le protocole ont été analysées par GC/C/IRMS et GCMS afin de détecter les variations des concentrations des hormones liées au métabolisme de la testostérone. Les résultats ont démontré une variabilité interindividuelle du métabolisme de la testostérone qui implique que les critères de positivité imposés par l'AMA ne sont pas forcément valables pour tous les individus. La détection de la 19-NA et de la 19-NE, issus du métabolisme in vivo de la 19norandrostenedione, a confirmé les résultats obtenus sur la pharmacocinétique et le métabolisme de la nandrolone C13 obtenus lors de la première étude clinique. Ce travail a permis de clarifier certains points en lien avec l'abus de la nandrolone dans le sport et notamment par rapport à la consommation de compléments alimentaires. Les deux études cliniques n'ont pas véritablement apporté les réponses souhaitées aux hypothèses de départ. Cependant certains aspects intéressants en relation avec le métabolisme des SAA ont été découverts et pourront peut-être permettre à la lutte antidopage d'évoluer vers une meilleure efficacité. SUMMARY Since 1980's, anabolic androgenic steroids (AAS) are still the most used doping agents in sports. The main properties attributed to these substances are an increase of muscle mass and strength and also a higher aggressiveness that could be beneficial during trainings and competitions. In addition to this "tradition" linked to the AAS intake, another problematics has raised in the antidoping field. Indeed, nutritional supplements have been more and more used by professional and amateur athletes. Since the end of the 1990's, an outburst of positive doping cases with AAS has been attributed to nutritional supplements contaminations with anabolic compounds like testosterone or nandrolone or with prohormones located above in the metabolism of some AAS and prompting urinary traces of forbidden compounds by the World Antidoping Agency (WADA). In order to inform the antidoping authorities and the athletes about the problems linked to the nutritional supplements, the Swiss Laboratory for Doping Analyses (LAD) decided to investigate more precisely the composition of about hundred products accessible in Switzerland through different web sites. This study showed that about 20% of the products were not conformed to the composition announced by the manufacturers. The oral intake of daily recommended doses of the contaminated products revealed the presence in urines of forbidden substances by the WADA. Hence, these results confirm that the use of nutritional supplements can lead to adverse analytical findings in antidoping controls and that the effects on athletes' physical and mental state could be different from the ones desired and could be dramatic for the continuation of an athlete's career. Moreover, this demonstrates that the diet can lead to the presence in urines of proscribed substances like nandrolone metabolites, i.e. 19-norandrosterone (19-NA) and 19-noretiocholanolone (19-NE). To put forward a potential effect of physical exercise on urinary nandrolone metabolites excretion rate, a first clinical study was done with 34 volunteers. Two oral doses of nandrolone labelled with two C13 atoms were administered to the subjects. The urines were collected during the 5 days following the treatment (excretion studies) and before and after the 8 exercise sessions of the protocol. The analyses of excretion studies revealed an intra- and inter-individual variability of the metabolism and the pharmacokinetics of 19-NA and 19-NE. In spite of the rapid urinary elimination of the nandrolone C13 metabolites, the analyses of the urine samples gathered before and after efforts did not show a clear influence of physical exercise on the urinary 19-NA and 19-NE concentrations. A second clinical study was done with the participation of 30 volunteers. The main aim was to determine if multiple oral doses of testosterone undecanoate, 19-norandrostenedione (a nandrolone precursor) or placebo during one month, could have beneficial effects on recovery and physical performance. Meanwhile, the individuals had to follow an intense and personalized endurance training program. Several physiological parameters were investigated in serum and urines in order to demonstrate a better organism's recovery. None of these parameters lead to the conclusion that oral intake of AAS is useful to optimise the recovery capacities of athletes. In addition, physical performances were evaluated before and after the training and treatment month. No significant difference was shown between the three volunteers groups. The psychological state of the volunteers was assessed through questionnaires (short Profile of Mood State, sP4MS) filled three times during the protocol. The global evolution is an increase of fatigue with an decrease of vigour. Statistical analyses revealed that the oral intake of testosterone, and to a lesser extent of 19= norandrostenedione, have a small influence on this general evolution in decreasing the effect of training on the psychological profile. The urines collected during the protocol were analysed by GC/C/IRMS and GCMS to detect concentrations variations of hormones related to the testosterone metabolism. The results revealed an interindividual variability of testosterone metabolism which implies that the guidance concerning endogenous steroids prescribed by the WADA are not uniformly valid for all individuals. Detection of 19-NA and 19-NE, coming from the in vivo metabolism of 19norandrostenedione, confirmed the results previously obtained on the pharamcokinetics and metabolism of the nandrolone C13 in the first clinical study. This work allowed to clarify some aspects linked to nandrolone abuse in sports and noteworthy related to nutritional supplements intake. The two clinical studies did not really bring plain answers to the basal hypotheses but some interesting aspects in relation with AAS metabolism were put forth and would perhaps allow an evolution of a more effective fight against doping.

Regulation of sodium transport in the cortical collecting duct : physiological role of GILZ in vitro and in vivo : characterisation of Na+ transport in the mCCDcl1 cell line

SUMMARY Regulation of sodium excretion by the kidney is a key mechanism in the long term regulation of blood pressure, and when altered it constitutes a risk factor for the appearance of arterial hypertension. Aldosterone, which secretion depends upon salt intake in the diet, is a steroid hormone that regulates sodium reabsorption in the distal part of the nephron (functional unit of the kidney) by modulating gene transcription. It has been shown that it can act synergistically with the peptidic hormone insulin through the interaction of their signalisation pathways. Our work consisted of two distinct parts: 1) the in vitro and in vivo characterisation of Glucocorticoid-Induced Leucine Zipper (GILZ) (an aldosterone-induced gene) mechanism of action; 2) the in vitro characterisation of insulin mechanism of action and its interaction with aldosterone. GILZ mRNA, coded by the TSC22D3 gene, is strongly induced by aldosterone in the cell line of principal cells of the cortical collecting duct (CCD) mpkCCDc14, suggesting that GILZ is a mediator of aldosterone response. Co-expression of GILZ and the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC in vitro in the Xenopus oocyte expression system showed that GILZ has no direct effect on the ENaC-mediated Na+ current in basal conditions. To define the role of GILZ in the kidney and in other organs (colon, heart, skin, etc.), a conditional knock-out mouse is being produced and will allow the in vivo study of its role. Previous data showed that insulin induced a transepithelial sodium transport at supraphysiological concentrations. Insulin and the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) are able to bind to each other receptor with an affinity 50 to 100 times lower than to their cognate receptor. Our starting hypothesis was that the insulin effect observed at these supraphysiological concentrations is actually mediated by the IGF receptor type 1 (IGF-1R). In a new cell line that presents all the characteristics of the principal cells of the CCD (mCCDc11) we have shown that both insulin and IGF-1 induce a physiologically significant increase of Na+ transport through the activation of IGF-1R. Aldosterone and insulin/IGF-1 have an additive effect on Na+ transport, through the activation of the PI3-kinase (PI3-K) pathway and the phosphorylation of the serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) by the IGF-1R, and the induction of Sgk1 expression by aldosterone. Thus, Sgk1 integrates IGF-1/insulin and aldosterone effects. We suggest that IGF-1 is physiologically relevant in the modulation of sodium balance, while insulin can only regulate Na+ transport at supraphysiological conditions. Both hormones would bind to the IGF-1R and induce Na+ transport by activating the PI3-K PDK1/2 - Sgk1 pathway. We have shown for the first time that Sgk1 is expressed and phosphorylated in principal cells of the CCD in basal conditions, although the mechanism that maintains Sgk1 phosphorylation is not known. This new role for IGF-1 suggests that it could be a salt susceptibility gene. In effect, IGF-1 stimulates Na+ and water transport in the kidney in vivo. Moreover, 35 % of the acromegalic patients (overproduction of growth hormone and IGF-1) are hypertensives (higher proportion than in normal population), and genetic analysis suggest a link between the IGF-1 gene locus and blood pressure. RÉSUMÉ La régulation de l'excrétion rénale de sodium (Na+) joue un rôle principal dans le contrôle à long terme de la pression sanguine, et ses altérations constituent un facteur de risque de l'apparition d'une hypertension artérielle. L'aldosterone, dont la sécrétion dépend de l'apport en sel dans la diète, est une hormone stéroïdienne qui régule la réabsorption de Na+ dans la partie distale du nephron (unité fonctionnelle du rein) en contrôlant la transcription de gènes. Elle peut agir de façon synergistique avec l'hormone peptidique insuline, probablement via l'interaction de leurs voies de signalisation cellulaire. Le but de notre travail comportait deux volets: 1) caractériser in vitro et in vivo le mécanisme d'action du Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ) (un gène induit par l'aldosterone); 2) caractériser in vitro le mécanisme d'action de l'insuline et son interaction avec l'aldosterone. L'ARNm de GILZ, codé par le gène TSC22D3, est induit par l'aldosterone dans la lignée cellulaire de cellules principales du tubule collecteur cortical (CCD) mpkCCDc14, suggérant que GILZ est un médiateur potentiel de la réponse à l'aldosterone. La co-expression in vitro de GILZ et du canal à Na+ sensible à l'amiloride ENaC dans le système d'expression de l'oocyte de Xénope a montré que GILZ n'a pas d'effet sur les courants sodiques véhiculées par ENaC en conditions basales. Une souris knock-out conditionnelle de GILZ est en train d'être produite et permettra l'étude in vivo de son rôle dans le rein et d'autres organes. Des expériences préliminaires ont montré que l'insuline induit un transport transépithelial de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. L'insuline et l'insulin-like growth factor 1 (IGF-1) peuvent se lier à leurs récepteurs réciproques avec une affinité 50 à 100 fois moindre qu'à leur propre récepteur. Nous avons donc proposé que l'effet de l'insuline soit médié par le récepteur à l'IGF type 1 (IGF-1R). Dans une nouvelle lignée cellulaire qui présente toutes les caractéristiques des cellules principales du CCD (mCCDc11) nous avons montré que les deux hormones induisent une augmentation physiologiquement significative du transport du Na+ par l'activation des IGF-1 R. Aldosterone et insuline/IGF-1 ont un effet additif sur le transport de Na+, via l'activation de la voie de la PI3-kinase et la phosphorylation de la serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) par l'IGF-1R, dont l'expression est induite par l'aldosterone. Sgk1 intègre les effets de l'insuline et l'aldosterone. Nous proposons que l'IGF-1 joue un rôle dans la modulation physiologique de la balance sodique, tandis que l'insuline régule le transport de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. Les deux hormones agissent en se liant à l'IGF-1R et induisent le transport de Na+ en activant la cascade de signalisation PI3-K - PDK1/2 - Sgk1. Nous avons montré pour la première fois que Sgk1 est exprimée et phosphorylée dans des conditions basales dans les cellules principales du CCD, mais le mécanisme qui maintient sa phosphorylation n'est pas connu. Ce nouveau rôle pour l'IGF-1 suggère qu'il pourrait être un gène impliqué de susceptibilité au sel. Aussi, l'IGF-1 stimule le transport rénal de Na+ in vivo. De plus, 35 % des patients atteints d'acromégalie (surproduction d'hormone de croissance et d'IGF-1) sont hypertensifs (prévalence plus élevée que la population normale), et des analyses génétiques suggèrent un lien entre le locus du gène de l'IGF-1 et la pression sanguine. RÉSUMÉ GRAND PUBLIC Nos ancêtres se sont génétiquement adaptés pendant des centaines de millénaires à un environnement pauvre en sel (chlorure de sodium) dans la savane équatoriale, où ils consommaient moins de 0,1 gramme de sel par jour. On a commencé à ajouter du sel aux aliments avec l'apparition de l'agriculture (il y a 5000 à 10000 années), et aujourd'hui une diète omnivore, qui inclut des plats préparés, contient plusieurs fois la quantité de sodium nécessaire pour notre fonction physiologique normale (environ 10 grammes par jour). Le corps garde sa concentration constante dans le sang en s'adaptant à une consommation très variable de sel. Pour ceci, il module son excrétion soit directement, soit en sécrétant des hormones régulatrices. Le rein joue un rôle principal dans cette régulation puisque l'excrétion urinaire de sel change selon la diète et peut aller d'une quantité dérisoire à plus de 36 grammes par jour. L'attention qu'on prête au sel est liée à sa relation avec l'hypertension essentielle. Ainsi, le contrôle rénal de l'excrétion de sodium et d'eau est le principal mécanisme dans la régulation de la pression sanguine, et une ingestion excessive de sel pourrait être l'un des facteurs-clé déclenchant l'apparition d'un phénotype hypertensif. L'hormone aldosterone diminue l'excrétion de sodium par le rein en modulant l'expression de gènes qui pourraient être impliqués dans la sensibilité au sel. Dans une lignée cellulaire de rein l'expression du gène TSC22D3, qui se traduit en la protéine Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ), est fortement induite par l'aldosterone. Ceci suggère que GILZ est un médiateur potentiel de l'effet de l'aldosterone, et pourrait être impliqué dans la sensibilité au sel. Pour analyser la fonction de GILZ dans le rein plusieurs approches ont été utilisées. Par exemple, une souris dans laquelle GILZ est spécifiquement inactivé dans le rein est en train d'être produite et permettra l'étude du rôle de GILZ dans l'organisme. De plus, on a montré que GILZ, en conditions basales, n'a pas d'effet direct sur la protéine transportant le sodium à travers la membrane des cellules, le canal sodique épithélial ENaC. On a aussi essayé de trouver des protéines qui interagissent directement avec GILZ utilisant une technique appelée du « double-hybride dans la levure », mais aucun candidat n'a émergé. Des études ont montré que, à de hautes concentrations, l'insuline peut aussi diminuer l'excrétion de sodium. A ces concentrations, elle peut activer son récepteur spécifique, mais aussi le récepteur d'une autre hormone, l'Insulin-Like Growth Factor 1 (IGF-1). En plus, l'infusion d'IGF-1 augmente la rétention rénale de sodium et d'eau, et des mutations du gène codant pour l'IGF-1 sont liées aux différents niveaux de pression sanguine. On a utilisé une nouvelle lignée cellulaire de rein développée dans notre laboratoire, appelée mCCDc11, pour analyser l'importance relative des deux hormones dans l'induction du transport de sodium. On a montré que les deux hormones induisent une augmentation significative du transport de sodium par l'activation de récepteurs à l'IGF-1 et non du récepteur à l'insuline. On a montré qu'à l'intérieur de la cellule leur activation induit une augmentation du transport sodique par le biais du canal ENaC en modifiant la quantité de phosphates fixés sur la protéine Serumand Glucocorticoid-induced Kinase 1 (Sgk1). On a finalement montré que l'IGF-1 et l'aldosterone ont un effet additif sur le transport de sodium en agissant toutes les deux sur Sgk1, qui intègre leurs effets dans le contrôle du transport de sodium dans le rein.

Effect of metabolic acidosis on renal tubular sodium handling in rats as determined by lithium clearance

Systemic metabolic acidosis is known to cause a decrease in salt and water reabsorption by the kidney. We have used renal lithium clearance to investigate the effect of chronic, NH4Cl-induced metabolic acidosis on the renal handling of Na+ in male Wistar-Hannover rats (200-250 g). Chronic acidosis (pH 7.16 ± 0.13) caused a sustained increase in renal fractional Na+ excretion (267.9 ± 36.4%), accompanied by an increase in fractional proximal (113.3 ± 3.6%) and post-proximal (179.7 ± 20.2%) Na+ and urinary K+ (163.4 ± 5.6%) excretion when compared to control and pair-fed rats. These differences occurred in spite of an unchanged creatinine clearance and Na+ filtered load. A lower final body weight was observed in the acidotic (232 ± 4.6 g) and pair-fed (225 ± 3.6 g) rats compared to the controls (258 ± 3.7 g). In contrast, there was a significant increase in the kidney weights of acidotic rats (1.73 ± 0.05 g) compared to the other experimental groups (control, 1.46 ± 0.05 g; pair-fed, 1.4 ± 0.05 g). We suggest that altered renal Na+ and K+ handling in acidotic rats may result from a reciprocal relationship between the level of metabolism in renal tubules and ion transport.