Characterizing emission and breathing-zone concentrations following exposure cases to fluororesin-based waterproofing spray mists.

Measurements and simulations were performed to assess workers' exposure to solvent vapors and aerosols during the waterproofing of a tiled surface. This investigation followed two recent incidents in the same company where workers experienced acute respiratory illness after spraying a stain-repellent resin containing fluorinated polymers on stone-tiled walls and floors. Because the waterproofing activity had been done for years at the tile company without encountering any exposure problems prior to these cases, it was strongly suspected that the incidents were linked to a recent change in the composition of the coating mixture. Experimental measurements and simulations indicated that the emission rate of particles smaller than 10 microm may be estimated at 0.66 mg/sec (SD 0.10) for the old resin and at 0.37 mg/sec (SD 0.04) for the new one. The measurement of the solvent emission rate from surfaces coated with the two resins indicated that shortly after spraying, the emission was in the range of 18 to 20 mg/sec x m2 and was similar for both products. Solvent and overspray emission rates were introduced in a two-zone compartment model. The results obtained in the near-field indicate significant exposure to overspray mist (7 and 34 mg/m3 for new resin) and solvent vapors (80 to 350 ppm for the new resin). It was also shown that the introduction of the new resin tended to significantly decrease the levels of solvents and particulates in the workers' breathing zone. These results strongly suggest that cases of acute respiratory illness are related to the specific toxicity of the fluorinated polymer itself. The fact that the same polymer is used in various commercial products raises concern regarding other possible occupational and domestic exposures.

Innate Immune Sensing of Fusarium culmorum by Mouse Dendritic Cells.

Chronic inhalation of grain dust is associated with asthma and chronic bronchitis in grain worker populations. Exposure to fungal particles was postulated to be an important etiologic agent of these pathologies. Fusarium species frequently colonize grain and straw and produce a wide array of mycotoxins that impact human health, necessitating an evaluation of risk exposure by inhalation of Fusarium and its consequences on immune responses. Data showed that Fusarium culmorum is a frequent constituent of aerosols sampled during wheat harvesting in the Vaud region of Switzerland. The aim of this study was to examine cytokine/chemokine responses and innate immune sensing of F. culmorum in bone-marrow-derived dendritic cells and macrophages. Overall, dendritic cells and macrophages responded to F. culmorum spores but not to its secreted components (i.e., mycotoxins) by releasing large amounts of macrophage inflammatory protein (MIP)-1α, MIP-1β, MIP-2, monocyte chemoattractant protein (MCP)-1, RANTES, and interleukin (IL)-12p40, intermediate amounts of tumor necrosis factor (TNF), IL-6, IL-12p70, IL-33, granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF), and interferon gamma-induced protein (IP-10), but no detectable amounts of IL-4 and IL-10, a pattern of mediators compatible with generation of Th1 or Th17 antifungal protective immune responses rather than with Th2-dependent allergic responses. The sensing of F. culmorum spores by dendritic cells required dectin-1, the main pattern recognition receptor involved in β-glucans detection, but likely not MyD88 and TRIF-dependent Toll-like receptors. Taken together, our results indicate that F. culmorum stimulates potently innate immune cells in a dectin-1-dependent manner, suggesting that inhalation of F. culmorum from grain dust may promote immune-related airway diseases in exposed worker populations.

Development and characterization of concentric capillary nebulizer used in inductively coupled plasma analysis /

A simple, low-cost concentric capillary nebulizer (CCN) was developed and evaluated for ICP spectrometry. The CCN could be operated at sample uptake rates of 0.050-1.00 ml min'^ and under oscillating and non-oscillating conditions. Aerosol characteristics for the CCN were studied using a laser Fraunhofter diffraction analyzer. Solvent transport efficiencies and transport rates, detection limits, and short- and long-term stabilities were evaluated for the CCN with a modified cyclonic spray chamber at different sample uptake rates. The Mg II (280.2nm)/l\/lg 1(285.2nm) ratio was used for matrix effect studies. Results were compared to those with conventional nebulizers, a cross-flow nebulizer with a Scott-type spray chamber, a GemCone nebulizer with a cyclonic spray chamber, and a Meinhard TR-30-K3 concentric nebulizer with a cyclonic spray chamber. Transport efficiencies of up to 57% were obtained for the CCN. For the elements tested, short- and long-term precisions and detection limits obtained with the CCN at 0.050-0.500 ml min'^ are similar to, or better than, those obtained on the same instrument using the conventional nebulizers (at 1.0 ml min'^). The depressive and enhancement effects of easily ionizable element Na, sulfuric acid, and dodecylamine surfactant on analyte signals with the CCN are similar to, or better than, those obtained with the conventional nebulizers. However, capillary clog was observed when the sample solution with high dissolved solids was nebulized for more than 40 min. The effects of data acquisition and data processing on detection limits were studied using inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. The study examined the effects of different detection limit approaches, the effects of data integration modes, the effects of regression modes, the effects of the standard concentration range and the number of standards, the effects of sample uptake rate, and the effect of Integration time. All the experiments followed the same protocols. Three detection limit approaches were examined, lUPAC method, the residual standard deviation (RSD), and the signal-to-background ratio and relative standard deviation of the background (SBR-RSDB). The study demonstrated that the different approaches, the integration modes, the regression methods, and the sample uptake rates can have an effect on detection limits. The study also showed that the different approaches give different detection limits and some methods (for example, RSD) are susceptible to the quality of calibration curves. Multicomponents spectral fitting (MSF) gave the best results among these three integration modes, peak height, peak area, and MSF. Weighted least squares method showed the ability to obtain better quality calibration curves. Although an effect of the number of standards on detection limits was not observed, multiple standards are recommended because they provide more reliable calibration curves. An increase of sample uptake rate and integration time could improve detection limits. However, an improvement with increased integration time on detection limits was not observed because the auto integration mode was used.

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Étude des gènes d'Actinobacillus pleuropneumoniae exprimés en conditions d'infection

Actinobacillus pleuropneumoniae est l’agent étiologique de la pleuropneumonie porcine. La bactérie se transmet par voies aériennes et contacts directs. Plusieurs facteurs de virulence ont été identifiés, nommément les polysaccharides capsulaires, les lipopolysaccharide, les exotoxines ApxI à IV et de nombreux mécanismes d’acquisition du fer. Aucun vaccin efficace contre tous les sérotypes de la bactérie n’a encore été élaboré. Afin de mieux comprendre de quelle façon A. pleuropneumoniae régule la transcription de ses nombreux facteurs de virulence et de découvrir de nouvelles cibles potentielles pour l’élaboration de vaccins efficaces, le profil transcriptomique de la bactérie a été étudié dans des conditions simulant l’infection ainsi qu’à la suite d’une infection naturelle aiguë chez l’animal. Des biopuces de première et de seconde génération (AppChip1 et AppChip2) comportant respectivement 2025 cadres de lecture ouverts (ORF) de la version préliminaire du génome d’A. pleuropneumoniae sérotype 5b souche L20 et 2033 ORF de la version finale annotée du même génome ont été utilisées. Dans un premier temps, des expériences réalisées dans des conditions de concentration restreinte en fer ont permis d’identifier 210 gènes différentiellement exprimés, dont 92 étaient surexprimés. Plusieurs nouveaux mécanismes d’acquisition du fer ont pu être identifiés, incluant un système homologue au système YfeABCD de Yersinia pestis, impliqué dans l’acquisition du fer chélaté, ainsi que des gènes homologues aux composantes du système HmbR de Neisseria meningitidis impliqué dans l’acquisition du fer à partir de l’hémoglobine. Dans des conditions de culture permettant la formation de biofilms, les gènes tadC et tadD d’un opéron tad (« tight adherence locus ») putatif, les gènes pgaBC impliqués dans la synthèse d’un polysaccharide de la matrice du biofilm ainsi que deux gènes présentant de fortes homologies avec un gène codant pour l’adhésine auto-transporteur Hsf retrouvée chez Haemophilus influenzae ont montré une surexpression significative. Plusieurs de ces gènes ont également été retrouvés lors d’expériences réalisées avec des cellules épithéliales d’origine pulmonaire en culture, qui ont permis d’identifier 170 gènes différentiellement exprimés après la croissance planctonique au-dessus des cellules, et 131 autres suite à l’adhésion à ces cellules. Parmis les gènes surexprimés, les gènes tadB et rcpA de l’opéron tad putatif, les gènes pgaBC ainsi que le gène codant pour l’homologue d’Hsf ont été retrouvés. En présence de liquide de lavage broncho-alvéolaire (BALF), 156 gènes ont montré un profil d’expression modifié, et le gène apxIVA, identifié comme étant surexprimé, a pu être détecté pour la première fois dans des conditions de croissance in vitro. Finalement, des expériences visant à déterminer les gènes utilisés directement chez l’animal en phase aiguë de la pleuropneumonie porcine ont permis d’identifier 150 gènes qui étaient différentiellement exprimés. En plus d’identifier des gènes d’un possible opéron codant pour un fimbriae de type IV, 3 des 72 gènes surexprimés sont conservés chez tous les sérotypes d’A. pleuropneumoniae et codent pour des protéines ou lipoprotéines de surface. Nos expériences ont permis d’identifier plusieurs nouveaux facteurs de virulence potentiels chez A. pleuropneumoniae ainsi que plusieurs nouvelles cibles potentielles pour l’élaboration de vaccins efficaces contre tous les sérotypes.

Épidémiologie du syndrome reproducteur et respiratoire porcin dans deux régions de densités porcines différentes au Québec

Le virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (SRRP) est actuellement l’une des principales menaces pour la santé des troupeaux porcins. Les multiples voies de transmission complexifient l’épidémiologie de l’infection et en font une maladie particulièrement difficile à contrôler. L’objectif général de ce projet de recherche était de déterminer les facteurs associés au statut SRRP des sites de production afin de mieux comprendre l’épidémiologie de cette maladie au sein de deux régions du Québec ayant des densités porcines différentes. Les stratégies d’introduction des cochettes de remplacement ont d’abord été examinées. Des lacunes importantes ont été identifiées représentant un risque potentiel pour l’introduction du virus ou pour la recirculation d’une souche endémique au sein d’un troupeau reproducteur. Ainsi, appliquée à titre de stratégie de contrôle, l’acclimatation s’est révélée particulièrement problématique. Les principes de base étaient peu respectés, pouvant donc avoir un impact négatif considérable sur la circulation virale au sein du troupeau et potentiellement sur le voisinage immédiat. La fréquence de plusieurs mesures de biosécurité externe a ensuite été évaluée, permettant d’identifier certains problèmes dont ceux touchant principalement les mesures d’hygiène relatives au protocole d’entrée. Des différences de fréquence entre les régions et les types de production ont également été notées, ce qui peut orienter les interventions de rehaussement. Une classification multivariée a permis de grouper les sites en différents patrons de biosécurité pour constituer par le fait même un index de biosécurité. Cette étape a permis d’évaluer l’association entre certaines caractéristiques de l’élevage et le niveau de biosécurité indiqué par l’index. La distribution géographique des patrons au sein des deux régions, couplée à la détection d’agrégats spatiaux de sites ayant un patron similaire, a également permis de cibler davantage les interventions en fonction de la localisation des sites. Suite à l’investigation du statut SRRP des sites, une prévalence apparente très élevée a été obtenue pour les deux régions, complexifiant le contrôle de la maladie. L’étude de facteurs de risque dans la région de densité modérée a mis en évidence quatre facteurs associés au statut SRRP positif des sites, soit un inventaire important, la proximité du site porcin immédiat, l’absence de douche ainsi que le libre accès au site par l’équarrisseur. Une action préventive intégrant des mesures de biosécurité spécifiques peut donc être entreprise directement à la ferme au regard des deux derniers facteurs. Le fait d’utiliser un index de biosécurité plutôt que des mesures de biosécurité spécifiques a également été évalué. Les résultats ne supportent pas l’index global dans l’évaluation de l’association entre la biosécurité et le statut SRRP des sites de production. Finalement, la corrélation entre les distances génétique, euclidienne et temporelle des souches de SRRP, considérant également l’appartenance au même ou à des propriétaires différents, a été évaluée au sein de la région de haute densité. Une corrélation positive entre la distance génétique et euclidienne observée jusqu’à 5 km a souligné l’importance de la propagation régionale impliquant les aérosols, les insectes, d’autres espèces animales ou les objets inanimés. De plus, les souches génétiquement similaires appartenaient davantage à des sites ayant le même propriétaire, ce qui sous-tend des mécanismes de transmission impliquant une source commune d’animaux, d’employés, d’équipement, voire de véhicules.

Influence de la taille de départ, de l’état d’agglomération et de la dose de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) inhalées sur la réponse pulmonaire chez le rat

En raison de leur petite taille, les nanoparticules (NP) (< 100 nm) peuvent coaguler très rapidement ce qui favorise leur pénétration dans l’organisme sous forme d’agglomérats. L’objectif de cette recherche est d’étudier l’influence de l’état d’agglomération de NP de dioxyde de titane (TiO2) de trois tailles de départ différentes, 5, 10-30 ou 50 nm sur la toxicité pulmonaire chez le rat mâle (F344) exposé à des aérosols de 2, 7 ou 20 mg/m3 pendant 6 heures. Dans une chambre d’inhalation, six groupes de rats (n = 6 par groupe) ont été exposés par inhalation aiguë nez-seulement à des aérosols ayant une taille primaire de 5 nm, mais produits sous forme faiblement (< 100 nm) ou fortement (> 100 nm) agglomérée à 2, 7 et 20 mg/m3. De façon similaire, quatre autres groupes de rats ont été exposés à 20 mg/m3 à des aérosols ayant une taille primaire de 10-30 et 50 nm. Les différents aérosols ont été générés par nébulisation à partir de suspensions ou par dispersion à sec. Pour chaque concentration massique, un groupe de rats témoins (n = 6 par groupe) a été exposé à de l’air comprimé dans les mêmes conditions. Les animaux ont été sacrifiés 16 heures après la fin de l’exposition et les lavages broncho-alvéolaires ont permis de doser des marqueurs d’effets inflammatoires, cytotoxiques et de stress oxydant. Des coupes histologiques de poumons ont également été analysées. L’influence de l’état d’agglomération des NP de TiO2 n’a pu être discriminée à 2 mg/m3. Aux concentrations massiques de 7 et 20 mg/m3, nos résultats montrent qu’une réponse inflammatoire aiguë est induite suite à l'exposition aux aérosols fortement agglomérés. En plus de cette réponse, l’exposition aux aérosols faiblement agglomérés à 20 mg/m3 s’est traduite par une augmentation significative de la 8-isoprostane et de la lactate déshydrogénase. À 20 mg/m3, les effets cytotoxiques étaient plus importants suite à l’exposition aux NP de 5 nm faiblement agglomérées. Ces travaux ont montré dans l'ensemble que différents mécanismes de toxicité pulmonaire peuvent être empruntés par les NP de TiO2 en fonction de la taille de départ et de l’état d’agglomération.

Carbon/Nitrogen Ratio Optimization and Periphyton Development on the Production and Sustainability of Penaeus Monodon(Fabricius)in Extensive Culture System

Controlling the inorganic nitrogen by manipulating carbon / nitrogen ratio is a method gaining importance in aquaculture systems. Nitrogen control is induced by feeding bacteria with carbohydrates and through the subsequent uptake of nitrogen from the water for the synthesis of microbial proteins. The relationship between addition of carbohydrates, reduction of ammonium and the production of microbial protein depends on the microbial conversion coefficient. The carbon / nitrogen ratio in the microbial biomass is related to the carbon contents of the added material. The addition of carbonaceous substrate was found to reduce inorganic nitrogen in shrimp culture ponds and the resultant microbial proteins are taken up by shrimps. Thus, part of the feed protein is replaced and feeding costs are reduced in culture systems.The use of various locally available substrates for periphyton based aquaculture practices increases production and profitability .However, these techniques for extensive shrimp farming have not so far been evaluated. Moreover, an evaluation of artificial substrates together with carbohydrate source based farming system in reducing inorganic nitrogen production in culture systems has not yet been carried-out. Furthermore, variations in water and soil quality, periphyton production and shrimp production of the whole system have also not been determined so-far.This thesis starts with a general introduction , a brief review of the most relevant literature, results of various experiments and concludes with a summary (Chapter — 9). The chapters are organised conforming to the objectives of the present study. The major objectives of this thesis are, to improve the sustainability of shrimp farming by carbohydrate addition and periphyton substrate based shrimp production and to improve the nutrient utilisation in aquaculture systems.

Role of sea-surface wind and transport on enhanced aerosol optical depth observed over the Arabian Sea

The objective of this study is to understand the reasons for the enhancement in aerosol optical depth (AOD) over the Arabian Sea observed during June, July and August. During these months, high values of AOD are found over the sea beyond 10◦ N and adjacent regions. The Arabian Sea is bounded by the lands of Asia and Africa on its three sides. So the region is influenced by transported aerosols from the surroundings as well as aerosols of local origin (marine aerosols). During the summer monsoon season in India, strong surface winds with velocities around 15 m s−1 are experienced over most parts of the Arabian Sea. These winds are capable of increasing sea spray activity, thereby enhancing the production of marine aerosols. The strong winds increase the contribution of marine aerosols over the region to about 60% of the total aerosol content. The main components of marine aerosols include sea salt and sulphate particles. The remaining part of the aerosol particles comes from the western and northern land masses around the sea, of which the main component is transported dust particles. This transport is observed at higher altitudes starting from 600 m. At low levels, the transport occurs mainly from the Indian Ocean and the Arabian Sea itself, indicating the predominance of marine aerosols at these levels. The major portion of the total aerosol loading was contributed by coarse-mode particles during the period of study. But in the winter season, the concentration of coarse-mode aerosols is found to be less. From the analysis, it is concluded that the increase in marine aerosols and dust particles transported from nearby deserts results in an increase in aerosol content over the Arabian Sea during June, July and August.

Chemically Modified Glassy Carbon Electrode as Sensors for Various Pharmaceuticals

Voltammetric methods are applicable for the determination of a wide variety of both organic and inorganic species. Its features are compact equipment, simple sample preparation, short analysis time, high accuracy and sensitivity. Voltammetry is especially suitable for laboratories in which only a few parameters have to be monitored with a moderate sample throughput. Of various electrode materials, glassy carbon electrode is particularly useful because of its high electrical conductivity, impermeability to gases, high chemical resistance, reasonable mechanical and dimensional stability and widest potential range of all carbonaceous electrodes. Electrode modification is a vigorous research area by which the electrochemical determination of various analyte species is facilitated. The scope of pharmaceutical analysis includes the analytical investigation of pure drug, drug formulations, impurities and degradation products of drugs, biological samples containing the drugs and their metabolites with the aim of obtaining data that can contribute to the maximal efficacy and maximal safety of drug therapy. This thesis presents the modification of glassy carbon electrode using metalloporphyrin and dyes and subsequently using these modified electrodes for the determination of various pharmaceuticals. The thesis consists of 9 chapters.

Zur Reaktionskinetik der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse

Zur Modellierung von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen zur energetischen Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis von reaktionskinetischen Daten für die Sauerstoff-Oxidation von Biomassepyrolysaten erforderlich. Eine ausführliche Literaturübersicht zeigt den Stand der Forschung bezüglich der experimentellen Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern für die Oxidation von Pyrolysaten aus Lignin, Cellulose und pflanzlicher Biomasse sowie der Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechanismus für die Reaktion von Sauerstoff mit festen Kohlenstoffmaterialien. Es wird eine Versuchsanlage mit einem quasistationär betriebenen Differentialreaktor konstruiert, die eine Messung der Reaktionskinetik und der reaktiven inneren Oberfläche (RSA) für die Reaktion eines Pyrolysats aus Maispflanzen mit Sauerstoff ermöglicht. Die getrockneten und zerkleinerten Maispflanzen werden 7 Minuten lang bei 1073 K in einem Drehrohrofen pyrolysiert. Das Pyrolysat zeichnet sich vor allem durch seine hohe Porosität von über 0,9 und seinen hohen Aschegehalt von 0,24 aus. Die RSA wird nach der Methode der Messung von Übergangskinetiken (TK) bestimmt. Die Bestimmung der RSA erfolgt für die Reaktionsprodukte CO und CO2 getrennt, für die entsprechend ermittelten Werte werden die Bezeichnungen CO-RSA und CO2-RSA eingeführt. Die Abhängigkeit dieser Größen von der Sauerstoffkonzentration läßt sich durch eine Langmuir-Isotherme beschreiben, ebenso das leichte Absinken der CO-RSA mit der Kohlendioxidkonzentration. Über dem Abbrand zeigen sich unterschiedliche Verläufe für die CO-RSA, CO2-RSA und die innere Oberfläche nach der BET-Methode. Zur Charakterisierung der Oberflächenzwischenprodukte werden temperaturprogrammierte Desorptionsversuche (TPD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Unterscheidung in zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Oberflächenkomplexe ausreichend ist. Die experimentellen Untersuchungen zum Oxidationsverlauf werden im kinetisch bestimmten Bereich durchgeführt. Dabei werden die Parameter Temperatur, Sauerstoff-, CO- und CO2-Konzentration variiert. Anhand der Ergebnisse der reaktionskinetischen Untersuchungen wird ein Reaktionsmechanismus für die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion entwickelt. Dieser Reaktionsmechanismus umfaßt 7 Elementarreaktionen, für welche die reaktionskinetischen Parameter numerisch ermittelt werden. Darüber hinaus werden reaktionskinetische Parameter für einfachere massenbezogene Reaktionsgeschwindigkeitsansätze berechnet und summarische Reaktionsgeschwindigkeitsansätze für die Bildung von CO und CO2 aus dem Reaktionsmechanismus hergeleitet.

Effects of Air Pollution Control on Climate

Urban air pollution and climate are closely connected due to shared generating processes (e.g., combustion) for emissions of the driving gases and aerosols. They are also connected because the atmospheric lifecycles of common air pollutants such as CO, NOx and VOCs, and of the climatically important methane gas (CH4) and sulfate aerosols, both involve the fast photochemistry of the hydroxyl free radical (OH). Thus policies designed to address air pollution may impact climate and vice versa. We present calculations using a model coupling economics, atmospheric chemistry, climate and ecosystems to illustrate some effects of air pollution policy alone on global warming. We consider caps on emissions of NOx, CO, volatile organic carbon, and SOx both individually and combined in two ways. These caps can lower ozone causing less warming, lower sulfate aerosols yielding more warming, lower OH and thus increase CH4 giving more warming, and finally, allow more carbon uptake by ecosystems leading to less warming. Overall, these effects significantly offset each other suggesting that air pollution policy has a relatively small net effect on the global mean surface temperature and sea level rise. However, our study does not account for the effects of air pollution policies on overall demand for fossil fuels and on the choice of fuels (coal, oil, gas), nor have we considered the effects of caps on black carbon or organic carbon aerosols on climate. These effects, if included, could lead to more substantial impacts of capping pollutant emissions on global temperature and sea level than concluded here. Caps on aerosols in general could also yield impacts on other important aspects of climate beyond those addressed here, such as the regional patterns of cloudiness and precipitation.

Adsorbents a partir de fangs biològics excedents de depuradora mitjançant l'aplicació de microones: estudi d'obtenció, caracterització i aplicació en fase líquida

El fang biològic es produeix en les plantes de tractament d'aigües residuals urbanes i industrials. El tractament i la gestió dels fangs és un dels problemes més importants en el camp del tractament de les aigües residuals. Aquesta situació es preveu que es veurà agreujada en el futur, per un increment del volum de fang produït associat a l'exigència de nivells més alts de depuració i per l'augment dels nombre d'estacions depuradores en funcionament. D'altre banda, les limitacions que presenten les opcions tradicionals de gestió dels fangs, fa necessari buscar solucions innovadores i efectives per a solucionar el problema que suposa la gestió d'aquests fangs biològics. Els fangs biològics són de naturalesa carbonosa i amb un alt contingut de matèria orgànica. Aquestes característiques, permeten la conversió del fang en un sòlid adsorbent de tipus carbonós. Aquesta conversió ofereix el doble benefici de reduir el volum de fang que ha de ser gestionat i alhora produir un adsorbent amb un cost inferior a la dels adsorbents convencionals (carbons actius comercials). Fins el moment, els tractaments alta temperatura han demostrat la seva efectivitat per du a terme el procés de transformació dels excedents de fang biològic en un sòlid adsorbent carbonós (carbó actiu). Com a alternativa a aquests processos a alta temperatura, es proposa un nou procés d'obtenció d'un sòlid adsorbent carbonós a partir dels excedents de fangs biològics, mitjançant un tractament a baixa temperatura, combinant el tractament per microones amb l'addició d'un reactiu químic (H2SO4). La present tesi analitza el tractament dels excedents de fangs biològics utilitzant un tractament mitjançant microones i l'addició d'àcid sulfúric (H2SO4), al mateix temps analitza la possibilitat d'utilitzar els sòlids adsorbents obtinguts per a millorar la qualitat de les aigües residuals. Paràmetres d'operació com poden ser la quantitat d'àcid sulfúric addicionada al fang, el nivell de potència del forn microones i el temps de tractament, es modificaran per tal de determinar la influència que poden tenir sobre la qualitat del sòlid adsorbent. Un cop determinada la qualitat dels diferent sòlids adsorbents s'avalua la seva capacitat per a l'eliminació de colorant i metalls en fase líquida. Els resultats obtinguts es comparen amb els obtinguts per un carbó actiu derivat de fangs i un carbó actiu comercial.

UV index measurement and model agreement: uncertainties and limitations

En les últimes dècades, l'increment dels nivells de radiació solar ultraviolada (UVR) que arriba a la Terra (principalment degut a la disminució d'ozó estratosfèric) juntament amb l'augment detectat en malalties relacionades amb l'exposició a la UVR, ha portat a un gran volum d'investigacions sobre la radiació solar en aquesta banda i els seus efectes en els humans. L'índex ultraviolat (UVI), que ha estat adoptat internacionalment, va ser definit amb el propòsit d'informar al públic general sobre els riscos d'exposar el cos nu a la UVR i per tal d'enviar missatges preventius. L'UVI es va definir inicialment com el valor màxim diari. No obstant, el seu ús actual s'ha ampliat i té sentit referir-se a un valor instantani o a una evolució diària del valor d'UVI mesurat, modelitzat o predit. El valor concret d'UVI està afectat per la geometria Sol-Terra, els núvols, l'ozó, els aerosols, l'altitud i l'albedo superficial. Les mesures d'UVI d'alta qualitat són essencials com a referència i per estudiar tendències a llarg termini; es necessiten també tècniques acurades de modelització per tal d'entendre els factors que afecten la UVR, per predir l'UVI i com a control de qualitat de les mesures. És d'esperar que les mesures més acurades d'UVI s'obtinguin amb espectroradiòmetres. No obstant, com que els costs d'aquests dispositius són elevats, és més habitual trobar dades d'UVI de radiòmetres eritemàtics (de fet, la majoria de les xarxes d'UVI estan equipades amb aquest tipus de sensors). Els millors resultats en modelització s'obtenen amb models de transferència radiativa de dispersió múltiple quan es coneix bé la informació d'entrada. No obstant, habitualment no es coneix informació d'entrada, com per exemple les propietats òptiques dels aerosols, la qual cosa pot portar a importants incerteses en la modelització. Sovint, s'utilitzen models més simples per aplicacions com ara la predicció d'UVI o l'elaboració de mapes d'UVI, ja que aquests són més ràpids i requereixen menys paràmetres d'entrada. Tenint en compte aquest marc de treball, l'objectiu general d'aquest estudi és analitzar l'acord al qual es pot arribar entre la mesura i la modelització d'UVI per condicions de cel sense núvols. D'aquesta manera, en aquest estudi es presenten comparacions model-mesura per diferents tècniques de modelització, diferents opcions d'entrada i per mesures d'UVI tant de radiòmetres eritemàtics com d'espectroradiòmeters. Com a conclusió general, es pot afirmar que la comparació model-mesura és molt útil per detectar limitacions i estimar incerteses tant en les modelitzacions com en les mesures. Pel que fa a la modelització, les principals limitacions que s'han trobat és la falta de coneixement de la informació d'aerosols considerada com a entrada dels models. També, s'han trobat importants diferències entre l'ozó mesurat des de satèl·lit i des de la superfície terrestre, la qual cosa pot portar a diferències importants en l'UVI modelitzat. PTUV, una nova i simple parametrització pel càlcul ràpid d'UVI per condicions de cel serens, ha estat desenvolupada en base a càlculs de transferència radiativa. La parametrització mostra una bona execució tant respecte el model base com en comparació amb diverses mesures d'UVI. PTUV ha demostrat la seva utilitat per aplicacions particulars com ara l'estudi de l'evolució anual de l'UVI per un cert lloc (Girona) i la composició de mapes d'alta resolució de valors d'UVI típics per un territori concret (Catalunya). En relació a les mesures, es constata que és molt important saber la resposta espectral dels radiòmetres eritemàtics per tal d'evitar grans incerteses a la mesura d'UVI. Aquest instruments, si estan ben caracteritzats, mostren una bona comparació amb els espectroradiòmetres d'alta qualitat en la mesura d'UVI. Les qüestions més importants respecte les mesures són la calibració i estabilitat a llarg termini. També, s'ha observat un efecte de temperatura en el PTFE, un material utilitzat en els difusors en alguns instruments, cosa que potencialment podria tenir implicacions importants en el camp experimental. Finalment, i pel que fa a les comparacions model-mesura, el millor acord s'ha trobat quan es consideren mesures d'UVI d'espectroradiòmetres d'alta qualitat i s'usen models de transferència radiativa que consideren les millors dades disponibles pel que fa als paràmetres òptics d'ozó i aerosols i els seus canvis en el temps. D'aquesta manera, l'acord pot ser tan alt dins un 0.1º% en UVI, i típicament entre menys d'un 3%. Aquest acord es veu altament deteriorat si s'ignora la informació d'aerosols i depèn de manera important del valor d'albedo de dispersió simple dels aerosols. Altres dades d'entrada del model, com ara l'albedo superficial i els perfils d'ozó i temperatura introdueixen una incertesa menor en els resultats de modelització.

Processes influencing ozone levels in Alaskan forest fire plumes during long-range transport over the North Atlantic

A case of long-range transport of a biomass burning plume from Alaska to Europe is analyzed using a Lagrangian approach. This plume was sampled several times in the free troposphere over North America, the North Atlantic and Europe by three different aircraft during the IGAC Lagrangian 2K4 experiment which was part of the ICARTT/ITOP measurement intensive in summer 2004. Measurements in the plume showed enhanced values of CO, VOCs and NOy, mainly in form of PAN. Observed O3 levels increased by 17 ppbv over 5 days. A photochemical trajectory model, CiTTyCAT, was used to examine processes responsible for the chemical evolution of the plume. The model was initialized with upwind data and compared with downwind measurements. The influence of high aerosol loading on photolysis rates in the plume was investigated using in situ aerosol measurements in the plume and lidar retrievals of optical depth as input into a photolysis code (Fast-J), run in the model. Significant impacts on photochemistry are found with a decrease of 18% in O3 production and 24% in O3 destruction over 5 days when including aerosols. The plume is found to be chemically active with large O3 increases attributed primarily to PAN decomposition during descent of the plume toward Europe. The predicted O3 changes are very dependent on temperature changes during transport and also on water vapor levels in the lower troposphere which can lead to O3 destruction. Simulation of mixing/dilution was necessary to reproduce observed pollutant levels in the plume. Mixing was simulated using background concentrations from measurements in air masses in close proximity to the plume, and mixing timescales (averaging 6.25 days) were derived from CO changes. Observed and simulated O3/CO correlations in the plume were also compared in order to evaluate the photochemistry in the model. Observed slopes change from negative to positive over 5 days. This change, which can be attributed largely to photochemistry, is well reproduced by multiple model runs even if slope values are slightly underestimated suggesting a small underestimation in modeled photochemical O3 production. The possible impact of this biomass burning plume on O3 levels in the European boundary layer was also examined by running the model for a further 5 days and comparing with data collected at surface sites, such as Jungfraujoch, which showed small O3 increases and elevated CO levels. The model predicts significant changes in O3 over the entire 10 day period due to photochemistry but the signal is largely lost because of the effects of dilution. However, measurements in several other BB plumes over Europe show that O3 impact of Alaskan fires can be potentially significant over Europe.