Potential errors in the application of mixture theory to multifrequency bioelectrical impedance analysis

Potential errors in the application of mixture theory to the analysis of multiple-frequency bioelectrical impedance data for the determination of body fluid volumes are assessed. Potential sources of error include: conductive length; tissue fluid resistivity; body density; weight and technical errors of measurement. Inclusion of inaccurate estimates of body density and weight introduce errors of typically < +/-3% but incorrect assumptions regarding conductive length or fluid resistivities may each incur errors of up to 20%.

Evaluation of the enthalpy of formation, proton affinity, and gas-phase basicity of gamma-butyrolactone and 2-pyrrolidinone by isodesmic reactions

The knowledge of thermochemical parameters such as the enthalpy of formation, gas-phase basicity, and proton affinity may be the key to understanding molecular reactivity. The obtention of these thermochemical parameters by theoretical chemical models may be advantageous when experimental measurements are difficult to accomplish. The development of ab initio composite models represents a major advance in the obtention of these thermochemical parameters,. but these methods do not always lead to accurate values. Aiming at achieving a comparison between the ab initio models and the hybrid models based on the density functional theory (DFT), we have studied gamma-butyrolactone and 2-pyrrolidinone with a goal of obtaining high-quality thermochemical parameters using the composite chemical models G2, G2MP2, MP2, G3, CBS-Q, CBS-4, and CBS-QB3; the DFT methods B3LYP, B3P86, PW91PW91, mPW1PW, and B98; and the basis sets 6-31G(d), 6-31+G(d), 6-31G(d,p), 6-31+G(d,p), 6-31++G(d,p), 6-311G(d), 6-311+G(d), 6-311G(d,p), 6-311+G(d,p), 6-311++G(d,p), aug-cc-pVDZ, and aug-cc-pVTZ. Values obtained for the enthalpies of formation, proton affinity, and gas-phase basicity of the two target molecules were compared to the experimental data reported in the literature. The best results were achieved with the use of DFT models, and the B3LYP method led to the most accurate data.

Maximum Likelihood Estimation of Mixture Densities for Binned and Truncated Multivariate Data

Binning and truncation of data are common in data analysis and machine learning. This paper addresses the problem of fitting mixture densities to multivariate binned and truncated data. The EM approach proposed by McLachlan and Jones (Biometrics, 44: 2, 571-578, 1988) for the univariate case is generalized to multivariate measurements. The multivariate solution requires the evaluation of multidimensional integrals over each bin at each iteration of the EM procedure. Naive implementation of the procedure can lead to computationally inefficient results. To reduce the computational cost a number of straightforward numerical techniques are proposed. Results on simulated data indicate that the proposed methods can achieve significant computational gains with no loss in the accuracy of the final parameter estimates. Furthermore, experimental results suggest that with a sufficient number of bins and data points it is possible to estimate the true underlying density almost as well as if the data were not binned. The paper concludes with a brief description of an application of this approach to diagnosis of iron deficiency anemia, in the context of binned and truncated bivariate measurements of volume and hemoglobin concentration from an individual's red blood cells.

Application of a simplified method based on regular regime approach to determine the effective moisture diffusivity of mixture of low molecular weight sugars and maltodextrin during desorption

The binary diffusivities of water in low molecular weight sugars; fructose, sucrose and a high molecular weight carbohydrate; maltodextrin (DE 11) and the effective diffusivities of water in mixtures of these sugars (sucrose, glucose, fructose) and maltodextrin (DE 11) were determined using a simplified procedure based on the Regular Regime Approach. The effective diffusivity of these mixtures exhibited both the concentration and molecular weight dependence. Surface stickiness was observed in all samples during desorption, with fructose exhibiting the highest and maltodextrin the lowest. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Preparation and thermal behavior of mixture of basic carbonate and 4-dimethylaminocinnamylidenepyruvate with lanthanides (III) and yttrium (III) in the solid state

Solid Ln-OHCO3-DMCP compounds, where Ln represents lanthanides (III) and yttrium (III) ions and DMCP is the anion 4-dimethylaminocinnamylidenepyruvate, have been prepared. Thermogravimetry, derivative thermogravimetry (TG, DTG), differential scanning calorimetry (DSC), x-Ray diffraction powder patterns and elemental analysis have been used to characterize the compounds. The thermal stability as well as the thermal decomposition of these compounds were studied using an alumina crucible in an air atmosphere.

Estimation of standard enthalpy of formation of alkanes in gaseous state by calculating size, structural and electronic parameters in the molecules

A quantitative analysis is made on the correlation ship of thermodynamic property, i.e., standard enthalpy of formation (ΔH fº) with Kier's molecular connectivity index(¹Xv),vander waal's volume (Vw) electrotopological state index (E) and refractotopological state index (R) in gaseous state of alkanes. The regression analysis reveals a significant linear correlation of standard enthalpy of formation (ΔH fº) with ¹Xv, Vw, E and R. The equations obtained by regression analysis may be used to estimate standard enthalpy of formation (ΔH fº) of alkanes in gaseous state.

Monte Carlo investigations of intermolecular interactions in water-amide mixtures

Monte Carlo simulations of water-amides (amide=fonnamide-FOR, methylfonnamide-NMF and dimethylformamide-DMF) solutions have been carried out in the NpT ensemble at 308 K and 1 atm. The structure and excess enthalpy of the mixtures as a function of the composition have been investigated. The TIP4P model was used for simulating water and six-site models previously optimized in this laboratory were used for simulating the liquid amides. The intermolecular interaction energy was calculated using the classical 6-12 Lennard-Jones potential plus a Coulomb term. The interaction energy between solute and solvent has been partitioned what leads to a better understanding of the behavior of the enthalpy of mixture obtained for the three solutions experimentally. Radial distribution functions for the water-amides correlations permit to explore the intermolecular interactions between the molecules. The results show that three, two and one hydrogen bonds between the water and the amide molecules are formed in the FOR, NMF and DMF-water solutions, respectively. These H-bonds are, respectively, stronger for DMF-water, NMF-water and FOR-water. In the NMF-water solution, the interaction between the methyl group of the NMF and the oxygen of the water plays a role in the stabilization of the aqueous solution quite similar to that of an H-bond in the FOR-water solution. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Monte Carlo studies of N-methylformamide-dimethyl sulfoxide mixtures

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

Preparation and thermal behavior of mixture of basic carbonate and 4-dimethylaminocinnamylidenepyruvate with lanthanides (III) and yttrium (III) in the solid state

Solid Ln-OKCO3-DMCP compounds, where Ln represents lanthanides (III) and yttrium (III) ions and DMCP is the anion 4-dimethyiaminocinnamylidenepyruvate, have been prepared. Thermogravimetry, derivative thermogravimetry (TG, DTG), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction powder patterns and elemental analysis have been used to characterize the compounds. The thermal stability as well as the thermal decomposition of these compounds were studied using an alumina crucible in an air atmosphere.

Effect of mixture of diazinon and benzo[a]pyrene in Glutathione S-transferase of Nile tilapia

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

Thermal and crystalographic studies of mixture La2O3-SrO prepared via reaction in the solid state

The compound obtained via state solid reaction of the La2O3 and SrO oxides and expose the room atmosphere shows the crystallographic data of the compound reported as La2SrOx. However, thermogravimetric, differential thermal analysis and XRD with controlled temperature indicated that the stoichiometry of the compound is 2La(OH)(3)-SrCO3, which structural parameters were determined by using the Rietveld method. It was verified that when the compound exposed at room atmosphere, the mixture oxide absorbs H2O and CO2 producing hydroxide and carbonate of lanthanum and strontium, respectively, which thermal decomposition occurs by the same steps, producing the La2O3-SrO.

Application of mixture models to detect differentially expressed genes

An important and common problem in microarray experiments is the detection of genes that are differentially expressed in a given number of classes. As this problem concerns the selection of significant genes from a large pool of candidate genes, it needs to be carried out within the framework of multiple hypothesis testing. In this paper, we focus on the use of mixture models to handle the multiplicity issue. With this approach, a measure of the local FDR (false discovery rate) is provided for each gene. An attractive feature of the mixture model approach is that it provides a framework for the estimation of the prior probability that a gene is not differentially expressed, and this probability can subsequently be used in forming a decision rule. The rule can also be formed to take the false negative rate into account. We apply this approach to a well-known publicly available data set on breast cancer, and discuss our findings with reference to other approaches.

Bayesian training of mixture density networks

Mixture Density Networks (MDNs) are a well-established method for modelling the conditional probability density which is useful for complex multi-valued functions where regression methods (such as MLPs) fail. In this paper we extend earlier research of a regularisation method for a special case of MDNs to the general case using evidence based regularisation and we show how the Hessian of the MDN error function can be evaluated using R-propagation. The method is tested on two data sets and compared with early stopping.