Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Résumé : L'un des problèmes les plus difficiles auquel les technologies liées aux nanomatériaux font face est l'impact qu'elles ont sur la santé humaine et l'environnement. Il est donc primordial d'étudier les effets toxicologiques de ces technologies dont l'utilisation est très répandue dans divers domaines d'application. Par conséquence, dans ce projet, la cytotoxicité des matériaux présents dans la synthèse de nanotubes de carbone mono-parois (SWCNTs) par plasma thermique inductif (des matières premières au produit final) a été évaluée. Tout d'abord, l'influence du procédé plasma thermique inductif sur les propriétés physico-chimiques et cytotoxiques des matières premières (les catalyseurs commerciaux Co, Ni, Y203, Mo et le noir de carbone) a été déterminée. Un effet cytotoxique plus important a ainsi été révélé pour le Co commercial. De plus, bien que le procédé de plasma affecte les propriétés physico-chimiques de chaque catalyseur, seule la cytotoxicité du Ni a augmenté. La comparaison des particules de Ni après traitement par plasma avec les nanoparticules de Ni commerciales, a révélé que ces particules ayant pourtant une surface similaire avaient des cytotoxicités différentes. De plus, la toxicité des catalyseurs n'était pas principalement due à la libération d'ions. Afin d'évaluer la capacité du procédé de plasma thermique inductif à synthétiser des SWCNTs de haute qualité en utilisant des catalyseurs non toxiques, les effets du type et de la quantité de trois mélanges de catalyseurs (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, et Ni-Mo-Y203) sur la production de SWCNTs ont été examinés. Les calculs thermodynamiques, en phase gazeuse et dans la phase de solution liquide, ont également été réalisés. Les résultats ont montré que le type de catalyseur affecte la qualité des SWCNTs et une qualité similaire peut être produite lorsque la même quantité de Co a été remplacée par le Ni. L'influence des SWCNTs produits avec trois mélanges de catalyseurs sur le comportement des préostéoblastes marins MC3T3-E I a été évaluée. Les SWCNTs ont été ajoutés sur les cellules attachées ou les cellules ont été ensemencées sur des plaques recouvertes de SWCNTs. Les SWCNTs ajoutés sur les cellules attachées affectent considérablement la viabilité cellulaire. Toutefois, la viabilité des cellules ensemencées sur les SWCNTs a seulement légèrement diminué à 24 h, même pour celles ensemencées sur les SWCNTs produits avec Ni-Co-Y203. De plus, les cellules peuvent proliférer en présence des SWCNTs dans les 48 h. Ainsi, sauf perturbation mécanique membranaire, ces SWCNTs ne semblent pas induire de cytotoxicité sévère sur les préostéoblastes. Les SWCNTs ont donc été purifiés et leur influence sur la prolifération des préostéoblastes, l'activation de la voie des BMPs ou Smad et la différenciation ostéoblastiques induites par l'addition de BMP-2 et BMP-9 a été étudiée. Le prétraitement des cellules par des SWCNTs pendant 24 h a accéléré l'activation des Smad1/518 induite par les BMPs. Après 72 h d'incubation avec BMP-2 ou BMP-9, les préostéoblastes prétraités avec des SWCNTs exprimaient des gènes codant pour des marqueurs ostéogéniques comme ostérix et octéocalcine et présentaient une forte activité de la phosphatase alcaline. Fait intéressant, la BMP-9 a favorisé la différenciation des préostéoblastes prétraités avec les SWCNTs de manière plus importante que la BMP-2. Par conséquent, la combinaison de la BMP-9 avec les SWCNTs semble être une voie prometteuse pour ta régénération osseuse. // Abstract : One of the most challenging issues that the technologies related to nanomaterials face is the impact they have on human health and environment. It is therefore of great importance to investigate the toxicological impacts of these technologies prior to their widespread utilization in different fields of application. Therefore, in this study, the cytotoxicity of the materials present throughout the process of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) synthesis by induction thermal plasma (from the feedstock materials to the final product) was evaluated. First of all, the influence of the induction thermal plasma process on the physico-chemical and cytotoxic properties of feedstock materials (i.e. commercial Co, Ni, Y203, Mo catalysts and carbon black) was investigated. The strongest cytotoxicity was observed for commercial Co compared to other catalysts. Although the thermal plasma process affected the properties of all catalysts, only the cytotoxicity of Ni was increased. Comparing the properties and cytotoxicity of the plasma treated Ni particles with commercial Ni nanoparticles revealed that the particles with similar surface area had different cytotoxicities. Plus, the observed cytotoxicity of the catalysts was not mainly due to the release of ions. In order to evaluate the capacity of the RF induction thermal plasma process to produce high quality SWCNTs using non-toxic catalysts, the effects of the type and quantity of three catalyst mixtures (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, and Ni-Mo-Y203) on SWCNTs synthesis were examined. Thermodynamic calculations, in gas and particularly in liquid solution phases, were also performed. The results showed that catalyst type affected the quality of the SWCNT final product and similar quality SWCNTs was produced when the same amount of Co was replaced by Ni. Then, to investigate the cytotoxicity of the SWCNTs produced with the three catalyst mixtures, their effect was evaluated on the behavior of murine MC3T3-E1 preosteoblasts. Either SWCNTs were added on the attached cells or cells were seeded on the SWCNT-covered culture plates. SWCNTs which were added on the attached cells reduced cell viability drastically in a dose-dependent manner. However, the viability of the cells seeded on SWCNTs was only slightly decreased at 24 h, even on those produced with Ni-Co-Y203. Moreover, cells could proliferate within 48 h. Thus, except mechanical membrane disturbance, thermal plasma grown SWCNTs seemed to induce no severe cytotoxicity on MC3T3-El preosteoblasts. Consequently, SWCNTs were purified and their influence on the viability and proliferation of MC3T3-El preosteoblasts was determined. The impact of SWCNTs on Smad activation and cell differentiation induced by BMP-2 and BMP-9 was also studied. SWCNTs pm-treatment accelerated the Smadl/5/8 activation induced by both BMP-2 and BMP-9. It did not reduce the viability of preosteoblasts but slightly affected their proliferation at 48 h. Furthermore, after 72 h incubation with BMP-2 or BMP-9, preosteoblasts pm-treated with SWCNTs for 24 h could express genes encoding osteogenic markers such as osterix and osteocalcin and showed high alkaline phosphatase activity. Interestingly, BMP-9 favored the differentiation of preosteoblasts pre-treated with SWCNTs more remarkably than BMP-2. Therefore, combination of BMP-9 with SWCNTs seems to be a promising avenue for bone regeneration. [symboles non conformes]

Très appréciés des consommateurs du fait de leur qualité nutritionnelle, les produits de la mer jouent un rôle important dans l'alimentation humaine. Toutefois, la confiance du consommateur vis-à-vis de leur qualité est affectée par les riques associés à une exposition aux contaminants chimiques et à la fraîcheur des produits. Si le premier aspect résulte de la pollution des eaux marines sous l'effet d'une forte anthropisation des littoraux, le second est lié à la haute périssabilité de ces produits. Évaluer les niveaux de contamination chimique et la qualité-fraîcheur des produits de la mer est plus qu'un besoin : c'est aujourd'hui une nécéssité. C'est dans ce contexte que les travaux de cette thèse ont été menés. Deux objectifs principaux ont été visés dans la présente étude. Le premier objectif de ce travail était de faire une évaluation spatiale et saisonnière des niveaux de contamination par les polluants métalliques et organiques (HAPs et PCBs) des zones côtières du Sénégal en s'intéressant aux teneurs en contaminants dans les organismes marins. Nous avons étudié 7 espèces marines représentatives des différents maillons de la chaîne trophique (une macroalgue verte, un mollusque bivalve, un crustacé et 4 espèces de poisson) prélevées le long du littoral au niveau de 5 sites présentant des degrés d'anthropisation différents. Les résultats de cette étude montrent que les teneurs en contaminants chimiques des organismes marins sont variables selon les espèces et soulignent ainsi la nécéssité de l'approche multi-espèces pour l'étude de la contamination chimique du milieu. Des variations inter-sites de la teneur en contaminants chimiques dans les organismes ont été mis en évidence. Les sites les plus anthropisés comme Soubédioune et Rusfisque sont ceux qui présentent les teneurs les plus élevées. Les niveaux de contamination métalliques et organiques dans les organismes marins du littoral sénégalais sont inférieurs ou du même ordre de grandeur que ceux mesurés dans d'autres régions d'Afrique de l'Ouest ou dans d'autres régions du monde. L'évaluation des risques associés à l'ingestion des produits de la mer analysés montre que les teneurs en contaminants chimiques sont faibles et inférieures aux limites maximales admissibles pour la consommation humaine (norme EU). Seuls les sites de Rufisque et Soumbédioune présentent quelques dépassements chez certaines espèces (moules, sardinelles). Le deuxième objectif de cette étude était de développer des méthodes permettant d'évaluer la fraîcheur des filets de poisson et de différencier des filets frais des filets décongelés. Les méthodes retenues sont basées sur la mesure de l'augmentation de la perméabilité cellulaire du muscle de poisson. La conservation des filets de poisson à 4°C va conduire à une perméabilisation des cellules dans le temps qui peut être apréhendée par la mesure de la libération d'enzymes intracytoplasmiques ou par l'augmentation de la perméabilité des cellules à des colorants fluorescents. La mesure de l'activité LDH est intéressante à double titre : elle va permettre d'une part de mesure le niveau de lyse cellulaire, donc le niveau d'altération, des filets de poisson dans le temps. Elle va permettre d'autre part grâce à sa sensibilité à la congélation de mieux cerner les conditions qui permettraient à terme de faire la distinction entre les filets frais et des filets congelés/décongelés. / Much appreciated by consumers for its nutritional qualities, seafood plays an important role in human diet. Consumer confidence in the quality of these foodstuffs is nevertheless affected by concerns about risks associated with exposure to chemical contaminants and the freshness of these products. If the first of these is the result of pollution resulting from increasing human activities along coastlines, the second is linked to the highly perishable nature of these products. An evaluation of the levels of chemical contaminants in seafood and of its freshness is therefore a necessity. It is within this context that the work presented in this thesis was carried out. Two principal objectives were targeted in the present study. The first objective of this work was to evaluate the spatial and seasonal variability of seafood contamination by elements (including metals) and organic pollutants (PAHs and PCBs) along the Senegalese coast. We studied 7 marine species representative of different trophic level (a green macro algae, a bivalve mollusc, a crustacean and 4 species of fish) sampling them along the coastline at 5 sites representing different human activity pressur. The result of this study showed that contamination levels varied with species, underlining the importance of a multi-species approach to study contamination in the marine environment. Variations between sites were also observed. Sites with the greatest human activity, such as Soumbédioune and Rufisque, were also those where the highest levels of contaminants in seafood were found. The levels of contamination measured along the Senegalese coast, of both elements and organic pollutants, were inferior or of the same order of magnitude as those reported from other West African sites or from other regions of the globe. The risks associated with eating theseseafood products were low, with contaminant levels generally below the admissible limits (EU) for human consumption. Only a few samples of certain species (mussels, sardines) exceeded these limits at Soumbédioune and Rufisque. The second objective of this study was to develop methods to evaluate the freshness of fish fillets, and to distinguish fresh fillets from previously frozen ones. The methods developed were based upon a measure of cellular permeability within the fish muscle tissue. The conservation of fish fillets ar 4°C results in increased permeability of cells over time, measurable by studying the liberation of intra-cytoplasmic enzymes or the increasing permeability of cells to fluorescent colouring agents. The measurements of lactate dehydrogenase (LDH) is doubly interesting in this contex : on the one hand it enables a measure of cell lysis, and so the level of alteration of the fillets over time, to be established. It also, thanks to its sensitivity to freezing, to better distinguish fresh fillets from those that have been frozen then thawed.

Les matériaux hydroxydes doubles lamellaires (HDL) sont une classe d'argiles anioniques synthétiques dont la structure est basée sur celle du brucite Mg(OH)2 dans lesquelles une partie des cations métalliques divalents sont été remplacés par des ions trivalents donnant ainsi des feuillets chargés positive. Cette charge est équilibrée par l'intercalation d'anions dans la région interlamellaire hydratée. Les identités et les rapports des cations di- et trivalents et l'anion interlamellaire peuvent être varié sur une large gamme, donnant lieu à une large classe de matériaux isostructurales. Le matériau d’origine de cette classe est l’hydrotalcite (HT) et les HDL sont par conséquent également connus comme des matériaux de type hydrotalcite. Bien que les caractéristiques de base de la structure soient bien comprises, des aspects structurels détaillés ont fait l'objet de certaine controverse dans la littérature afin de maîtriser leurs propriétés et leurs applications potentielles. Dans ce travail de thèse nous avons retenu deux types de HDL MgAl et ZnAl qui ont été largement introduits dans diverses applications, tels que la sorption des molécules d'intérêt biologique (enzyme et médicament) et l'élaboration d'électrodes. La spécificité de ce travail repose sur l’immobilisation d’une enzyme modèle, la lactate déshydrogénase dans ces deux matrices ainsi qu’un médicament anti-bactérien, la berbérine, afin d’étudier les interactions entre ces deux biomolécules et la phase HDL introduite et de répondre à leurs exigences d'applications dans le domaine médical. Dans un second temps nous avons tenté d’étudier les deux phases mentionnées de plus en plus fine en termes de structure, morphologie et profil électrochimique en vue de les employer en tant que matériaux d’électrode pour le développement de biopile / DHs are a class of synthetic anionic clays whose structure is based on brucite-like layers Mg(OH)2 inwhich some of the divalent cations have been replaced by trivalent ions giving positively-charged sheets.This charge is balanced by intercalation of anions in the hydrated interlayer regions. The identities andratios of the di- and trivalent cations and the interlayer anion may be varied over a wide range, giving rise toa large class of isostructural materials. The parent material of this class is the naturally occurring mineralhydrotalcite and LDHs are consequently also known as hydrotalcite-like materials. Although the basicfeatures of the structure are well understood, detailed structural aspects have been the subject of somecontroversy in the literature. In this thesis, we have selected two types of LDH, MgAl and ZnAl, which havebeen widely introduced in various applications, such as sorption of molecules of biological interest (enzymeand drug) and the development of electrodes. The specificity of this work lies on the immobilization of amodel enzyme, lactate dehydrogenase in both matrices as well as an anti-bacterial drug, berberine, inorder to study the interactions between these two biomolecules and the introduced LDH phase and tobetter address their challenges of applications in the medical field. Second, we have tried to study the twophases mentioned above more and more accurately in terms of structure, morphology and electrochemicalprofile in order to use them as electrode materials for microbial fuel cell device

L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle souche de champignon filamenteux pour la production d’acide lactique. Pour répondre à cet objectif, nous avons tout d’abord d’exploré la biodiversité fongique à la recherche de champignons filamenteux capables de produire de l’acide lactique ou présentant de bonnes prédispositions pour la production d’acides organiques sans neutralisation du pH. Grâce à ce criblage, une souche sauvage d’Aspergillus brasiliensis a été sélectionnée et utilisée pour construire, grâce à l’ingénieure métabolique, les premières souches d’Aspergillus capables de produire de l’acide lactique à pH acide. Ces souches ont ensuite été caractérisées et les conditions de culture en fioles et fermenteurs volumes ont été étudiées. Cette étude des conditions de culture donne des résultats prometteurs et dévoile de nombreuses voies possibles pour continuer à améliorer la production d’acide lactique par ces organismes. / The objective of this thesis is to develop a new filamentous fungal strain for the production of lactic acid. To meet this goal, we first explored the fungal biodiversity in order to find filamentous fungi able to produce lactic acid or having good predispositions for the production of organic acids without pH neutralization. Through this screening, a wild type strain of Aspergillus brasiliensis was selected and used to construct, using the metabolic engineer, new strains capable of producing lactic acid at an acidic pH. These strains were then characterized and culture conditions in flasks and bioreactors were studied. The study of culture conditions shows promising results and reveals many possible ways to further improve the production of lactic acid by these organisms.