Les actions conjointes en faveur d’une meilleure isolation du bâti et de l’expansion des énergies renouvelables dans l’habitat jouent un rôle de premier plan dans la politique de réduction des gaz à effet de serre et la recherche d’une plus grande efficacité énergétique. La présente thèse vise à développer un système de stockage de chaleur par voie thermochimique dédié au chauffage solaire d’une maison individuelle. A cet effet, un matériau de stockage spécifique à été mis au point, à base de zéolithe et de sulfate de magnésium. Le principe, reposant sur un phénomène mixte d’adsorption physique de vapeur d’eau et de réaction chimique d’hydratation, est à caractère inter-saisonnier : en été, la chaleur issue de capteurs solaires thermiques à air est stockée par le matériau, qui se déshydrate selon une réaction endothermique ; en hiver, l’exothermicité de la réaction inverse est exploitée afin de chauffer l’habitat. Après un état de l’art des technologies de stockage thermique, un protocole de préparation de ce matériau composite innovant est établi. Des travaux de caractérisation sont alors entrepris à l’échelle micro et macroscopique. A partir de ces données expérimentales macroscopiques, le système de stockage est dimensionné en fonction des besoins en chaleur pour le chauffage d’une maison individuelle de type Bâtiment Basse Consommation. A l’issue de cette étude, un modèle de réacteur de stockage thermique est élaboré, afin d’interpréter les transferts couplés de matière et de chaleur intervenant dans le lit de matériau et d’optimiser le réacteur de stockage en conséquence. La validité du modèle est ensuite testée et discutée à la lumière des résultats expérimentaux. / The combined efforts promoting an improved insulation and a growth of renewable energies use in buildings play a key role in the road towards greenhouse gas reduction and better energy efficiency. This thesis purpose is to develop a chemicalbased thermal energy storage system devoted to solar space heating of single-family houses. A specific heat storage material has thus been created, made of zeolite and magnesium sulphate. The storage principle, based on a hybrid phenomenon between water vapour physical adsorption and chemical hydration reaction, is seasonal : during the summer, the material stores heat obtained from evacuated tube solar collectors using an endothermic dehydration reaction ; the stored heat is released by rehydration of the material during the winter to produce hot air dedicated to space heating. After a state of the art regarding thermal energy storage technologies, a preparation method is set up. Then, characterization studies of this innovative composite material have been performed, at both micro- and macroscopic scales. Thanks to the macroscopic experimental data, the system size is estimated to meet the space heating energy demand of a low energy single-family house. Afterwards, a thermochemical storage model is developed to understand the coupled heat and mass transfer occurring in the composite sorbent bed, and consequently optimize the reactor design. The model relevancy is finally discussed with respect to experimental results.

Ce travail de thèse a pour objectif la simplification de la préparation d’un nouveau type d’inhibiteur d’entrée du VIH conçu, synthétisé et validé dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire, l’Institut de Biologie Structurale de Grenoble et l’Institut Pasteur de Paris. Ce prototype est constitué d’un mime fonctionnel de CD4 lié de façon covalente à un fragment dodécasaccharidique d’Héparane Sulfate dont la synthèse est complexe. Nous avons donc proposé de préparer des oligomaltosides sulfatés afin de déterminer si ils pouvaient se comporter comme des mimes d’Héparane Sulfate. Dans un premier temps, nous avons mis au point la synthèse d’un précurseur trisaccharidique oligomérisable à partir de maltotriose, un trisaccharide biosourcé commercial. Au cours de ce travail, nous avons résolu trois points particulièrement délicats : l’allylation de l’extrémité réductrice du maltotriose, l’installation d’un groupement paraméthoxybenzylidène en position O-4ᴵᴵᴵ et O-6ᴵᴵᴵ et la protection sélective des positions O-6ᴵ et O-6ᴵᴵ par un groupement silylé. Les optimisations menées nous ont permis de limiter la formation de produits secondaires, d’augmenter le rendement de chaque étape. La synthèse définitive du trisaccharide oligomérisable comprend 8 étapes, a un bon rendement global de 44 % et peut être menée sans problème à des échelles allant jusqu’à 10 g. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les réactions de glycosylation α(1→4) visant à oligomériser la brique maltotrioside : nous avons constaté qu'une activation des donneurs sous forme de N-phényltrifluoroacétimidate (PTFA) est un meilleur choix que sous forme de trichloroacétimidate (TCA). En effet, ces derniers subissent une réaction parasite du réarrangement de l’imidate en trichloroacétamide. Nous avons aussi observé que le groupement benzoyle (Bz) en position O-6ᴵᴵᴵ du donneur est préférable à l’acétyle (Ac) qui est moins stable dans les conditions acides et basiques. Ensuite, nous avons synthétisé différents donneurs PTFA possédant différents groupements protecteurs en position O-6ᴵ (TBDPS, Bn, pNO2Bz, Piv, Ac et Bz). Nos études de glycosylation avec ces différents donneurs nous ont permis de conclure qu'un groupement TBDPS en position O-6ᴵ permet d'obtenir de hauts rendements et une totale stéréosélectivité 1,2-cis dans les réactions de glycosylation et, de plus, est parfaitement indiqué comme groupement protecteur dans les étapes de diversifications ultérieures. Pour finir, nous avons optimisé différents paramètres comme : le promoteur, la température, l’ordre d’addition des réactifs, le type de tamis moléculaire, l’effet de solvant, le rapport donneur/accepteur, la concentration de l’accepteur et l’échelle de la réaction. Les conditions optimisées nous ont permis d’accéder efficacement, avec de bons rendements et une stéréosélectivité α totale, aux hexa, nona et dodecasaccharide protégés ciblés. Dans un troisième temps, nous avons réussi à réaliser les étapes de déprotection et fonctionnalisation des oligomaltosides synthétisés : débenzoylation et désilylation chimiosélective (hexa et nonasaccharide), sulfatations (hexa et nonasaccharides), puis déprotection des groupements protecteurs résiduels (hexasaccharides). La finalisation de ce projet impliquera de sulfater les nonasaccharides et de déprotéger les groupements protecteurs résiduels, puis d'introduire un espaceur fonctionnalisé sur tous les membres de la chimiothèque ainsi obtenue (hexa et nonasaccharides) et enfin de réaliser l'hydrogénolyse finale des groupements benzyles pour conduire aux oligomaltosides sulfatés libres dont les activités biologiques seront déterminées en collaboration avec nos partenaires. / This work aims at simplifying the preparation of a new type of HIV entry inhibitor, conceived, synthesized and validated within a collaboration between our group, the "Institut de Biologie Structurale" (Grenoble) and the Institut Pasteur (Paris). This prototype is composed of a CD4 functional mimetic linked to a dodecasaccharide fragment of Heparan Sulfate, whose synthesis is complex. In order to determine if Heparan Sulfate may be replaced by simpler sulfated oligosaccharides, we decided to prepare a set of sulfated oligomaltosides. To this goal, we first optimized the synthesis of an oligomerizable maltotrioside building block in eight steps and 44% global yield from maltotriose, a commercial and biosourced trisaccharide. In this work, we had to address three major points: the allylation of the reducing end of maltotiose, the introduction of a paramethoxybenzylidene group between positions O-4ᴵᴵᴵ and O-6ᴵᴵᴵ and the selective protection of the remaining primary positions O-6ᴵ and O-6ᴵᴵ by a silylated protecting group. Each step has been optimized to minimize the amount of secondary products and thus to enhance its yield. The resulting synthesis was thus shown to be highly reproducible up to ten grams scale. Then, glycoside acceptors and donors were prepared from the oligomerizable maltotrioside building block and we studied their behaviors in glycosylation reactions. We found that trichloroacetimidate activation led to poor glycosylation yields, due to the competitive formation of trichloroacetamidyl glycoside rearrangement product. Gratifyingly, N-phenyltrifluroacetimidate activation solved the rearrangement problem. We demonstrate that benzoyl group (Bz) at position O-6ᴵᴵᴵ in the donor should be preferred to acetyl (Ac) which is less stable both in acidic or basic conditions. Then, we synthesized various PTFA donors bearing different protecting groups at O-6ᴵ position (TBDPS, Bn, pNO2Bz, Piv, Ac et Bz) in order to study their influence on the yields and stereochemical outcome of the glycosylation reactions. We concluded that TBDPS represent the best compromise for efficient glycosylation and later protecting group manipulation strategies. Then we optimized various reaction parameters: promotor nature, temperature, reagents addition order, molecular sieve type, solvent nature, donor/acceptor ratio, concentrations and scale of the reaction. The optimized conditions allowed efficient access, in high yields and full α stereoselectivity, to the targeted protected hexa, nona and dodecasaccharides. Then we validated the deprotection and functionnalization steps: chimioselective debenzoylation and desilylation (hexa and nonasaccharide), sulfations (hexa and nonasaccharides), the final deprotection of the residual protecting groups (hexasaccharides).

La mucopolysaccharidose de type IIIB (MPSIIIB), ou maladie de Sanfilippo B, est une maladie de surcharge lysosomale caractérisée par des atteintes neurologiques. Cette maladie génétique rare est causée par la déficience en a-N-acétylglucosaminidase (NAGLU), une enzyme nécessaire pour la dégradation des héparanes sulfates (HS). La dégradation incomplète des HS cause l’accumulation de saccharides d’HS dans les lysosomes et à la surface des cellules. Mais la cascade physiopathologique induite par ces saccharides n’est pour l’instant pas connue. D’une part, ces recherches fournissent des preuves que la communication avec l’environnement des cellules neurales déficientes en NAGLU est altérée. En effet, l’intégrine ß1 et ses effecteurs sont suractivés et recrutés au niveau des plaques d’adhérence dans des astrocytes déficients. Les comportements cellulaires dépendants des intégrines, tels que la polarisation et la migration, sont également altérés. Ces phénotypes sont restaurés par l’apport de l’enzyme déficiente. Cette restauration indique que l’accumulation de saccharides d’HS provoque l’activation de la signalisation des intégrines, et perturbe la polarisation et la migration des cellules neurales. L’ajout de saccharides d’HS purifiés sur des cellules neurales normales confirme que les saccharides d’HS extracellulaires activent des composants des plaques d’adhérence. D’autre part, l’étude d’un modèle cellulaire humain, dont l’expression de NAGLU a été inhibée par shRNA, a montré que l’accumulation de vésicules de stockage caractéristiques de la maladie est causée, entre autre, par une déformation de l’appareil de Golgi et la surexpression de GM130. Ces phénotypes sont également observés dans les neurones atteints. Ils s’accompagnent d’une augmentation de la stabilité et de la nucléation des microtubules, au niveau de l’appareil de Golgi. Les défauts de communication entre la cellule malade et son environnement semblent donc modifier la dynamique et la structure cellulaire. Nous présumons que les mécanismes physiopathologiques déchiffrés en culture sont reliés à la neuropathologie de la MPSIIIB. En perturbant la perception de l’environnement cellulaire, la polarité, la migration, et la pousse neuritique, les saccharides d’HS accumulés dans les tissus cérébraux malades, affectent probablement divers mécanismes clefs de la maturation corticale. / Mucopolysaccharidosis type IIIB (Sanfilippo B disease) is a lysosomal storage disease characterized by severe neurological manifestations in children. This rare monogenic disease is caused by a-N­acetylglucosaminidase (NAGLU) deficiency, a lysosomal hydrolase necessary for heparan sulfate (HS) degradation. This deficiency leads to the accumulation of HS saccharides. Mechanisms mediating HS saccharides deleterious effects on brain cells are not well understood. This research provides evidences that neural cell sensing of environment is altered in MPSIIIB cells. Integrins and focal adhesion components are over-recruited and over-activated in deficient mouse astrocytes. Consistently, integrin-dependant cell behavior such as cell polarization and directed migration were defective in affected astrocytes and neural stem cells. HS saccharide clearance, by NAGLU gene transfer, rescues a normal phenotype suggesting that HS saccharides induce focal adhesion formation. Addition of purified HS saccharides on normal astrocytes confirms that extracellular HS saccharides can activate the recruitment of focal adhesion components and provides an in vitro assay to decipher the saccharide code of HS. Otherwise, investigations performed on HeLa cell model, in which NAGLU expression was inhibited by shRNA, showed that accumulation of intracellular storage vesicles, a hallmark of the disease, is due over expression of a cis-Golgi protein. This affects the Golgi morphology and microtubule nucleation and stability. It seems that alterations of environment cell sensing and downstream signaling also modify the dynamic and the structure of cells. We assume that mechanisms deciphered in cell cultures are related to MPSIIIB neuropathology. By affecting cell perception of environmental cues, cell polarity, cell migration and neurite outgrowth, HS saccharides, which accumulate in brain tissues defective for a HS degradation enzyme, likely affect various processes important for accurate cortical maturation.

L’Héparane Sulfate (HS) est un polysaccharide linéaire hautement sulfaté largement présent à la surface des cellules ou dans la matrice extracellulaire des tissus animaux. L’HS est l'un des polymères les plus hétérogènes et présente une alternance de domaines fortement sulfatés (S) et faiblement sulfatés (A). L'exposition à la surface cellulaire de ces domaines SAS permet d'établir des interactions spécifiques avec des protéines basiques présentant des topologies de charges complémentaires, permettant la régulation de leurs activités biologiques. CXCL12, une protéine de la famille des chimiokines se liant aux chaînes d’HS, est l'unique ligand naturel du récepteur CXCR4. La signalisation CXCL12/CXCR4 est impliquée dans divers processus biologiques dont l'hématopoïèse, la réponse immunitaire et la migration des cellules cancéreuses et leur prolifération. La conception de glycoligands pouvant se lier spécifiquement à CXCL12 pourrait permettre de moduler son interaction avec son récepteur et donner accès à une substance thérapeutique innovante pour le traitement de plusieurs types de cancer. Nous avons ainsi imaginé la construction d’un ligand tridentate symétrique comportant une partie centrale de type fragment d’HS synthétique (dp4) dont les extrémités réductrice (ER) et non réductrice (ENR) seraient reliées à des ligands capables d'occuper une partie du site de liaison à CXCR4.Grâce à de précédents travaux sur l'IFN-γ, une cytokine se liant aux chaînes HS, notre laboratoire a déjà démontré que la préparation de mimes de SAS pouvait être obtenue en reliant deux fragments d’HS synthétiques (domaines S) par leur ER via des bras espaceurs de type PEG et de longueur différente pour mimer les domaines A. Afin d’adapter cette stratégie à la préparation de neutraligands de CXCL12 et d’une nouvelle génération de mimes de SAS, ce programme doctoral visait (i) à établir une stratégie générale de modification de l’ER et l’ENR de fragments d’HS, (ii) à établir des conditions efficaces de réactions de couplage pour (iii) synthétiser des ligands de CXCL12 ainsi que de nouveaux mimes de SAS. Nous avons sélectionné deux réactions orthogonales de couplage dans le panel de Chimie Click, à savoir la formation de triazole «CuAAC» et la «ligation oxime». Afin de déterminer la faisabilité de transformation des deux extrémités de fragments d’HS pour réaliser ces réactions de couplage, nous avons optimisé les conditions de ces modifications sur un disaccharide modèle dérivé du cellobiose. Tout d’abord, en utilisant la procédure de couplage thiol-ène décrite par notre équipe, nous avons introduit une amine sur l'ER de ce disaccharide et optimisé les conditions d’une séquence monotope transfert de diazo/CuAAC permettant la conversion sélective de cette amine en azoture puis son couplage avec des alcynes vrais. Cette séquence a également pu être appliquée à des acides aminés libres pour la préparation de dérivés organofluorés. Ensuite, l'installation d'un motif aldéhyde sur l’ENR du composé modèle a été obtenue par une séquence en trois étapes comportant une allylation décarboxylante de type Tsuji-Trost de la position O-4 de l'unité NR, une dihydroxylation de l’éther d’allyle obtenu et enfin une coupure oxydante du diol formé. En plus d'explorer la sélectivité de la coupure oxydante en faveur de diols vicinaux acycliques en présence de diols cycliques portés par le squelette saccharidique, nous avons également optimisé les conditions de la réaction de formation d’oximes pour obtenir une seconde procédure monotpe de coupure oxydante/formation d’oxime pour la modification rapide de l’ENR de fragments d’HS. Cette stratégie de fonctionnalisation sélective de l’ER et l’ENR d’oligosaccharides a été implémentée dans notre voie actuelle de synthèse de fragments d’HS : elle a été appliquée de manière représentative à un fragment tétrasaccharidique d’HS qui permettra la préparation de neutraligands de CXCL12 et de mimes de SAS. / Heparan sulfate (HS) is a class of linear and highly sulfated polysaccharides widely present in animal tissues, onto the cell surface or into the extracellular matrix. HS is one of the most heterogeneous polymers and presents an alternation of highly sulfated domains (S domains) and weakly sulfated one (A domains). Exposition of those SAS domains at the cell surface permits the establishment of specific interactions with proteins displaying complementary charge topologies, leading to the regulation of their biological activities.CXCL12, a HS-binding protein, member of the chemokine family of pro-inflammatory mediators, is the unique natural ligand of CXCR4 receptor. CXCL12/CXCR4 signaling is involved in several biological processes, including hematopoiesis, immune response and cancer metastasis. The design of HS type ligands that could bind specifically to CXCL12 to block or modulate its interaction with its receptor should give access to therapeutic substance being able to modulate its activity and allow treatment of several cancer types. To this aim, we planed to construct a symmetric tridentate ligand of CXCL12 in which the reducing end (RE) and non-reducing end (NRE) of a short synthetic HS fragment (dp4) would be connected to ligands able to occupy part of the CXCR4 binding site. Thanks to previous investigation onto IFN-γ, a cytokine that binds tightly to HS chains, our lab already demonstrated that the preparation of SAS mimics should be reached by connecting two synthetic HS fragments (S domains) by their RE through a PEG-type spacer differing in length to mimic internal A domain. To adapt this strategy to the preparation of CXCL12 neutraligands and new type of SAS mimics, this PhD program aimed (i) to establish a general strategy of modification of the HS fragments RE and NRE, (ii) to setup efficient conditions of ligation reactions for (iii) the preparation of CXCL12 neutraligands as well as a second generation of SAS mimics. We selected our two orthogonal ligation reactions into the Click Chemistry panel: “the CuAAC” triazole formation and the “oxime ligation”. In order to setup the practicability of this strategy of transformation of the two HS fragments ends, we optimized reaction conditions onto model disaccharide derived from cellobiose. On one hand, by using thiol-ene coupling procedure reported by our lab, we introduced an amino group to the RE of this disaccharide and optimized reactions conditions of a one-pot diazotransfer reaction/CuAAC sequence, allowing the selective conversion of this amino group into azide and its coupling with alkyne derivatives. To demonstrate the robustness of this sequence, we applied it to the direct modification of free amino acids for the preparation of organofluorine derivatives. On the other hand, the installation of an aldehyde motif onto the NRE of the model compound was obtained via a three steps sequence involving a Tsuji-Trost decarboxylative allylation of the position O-4 of the NRE unit, dihydroxylation of the resulting allyl ether and finally oxidative cleavage of the formed diol. Besides exploring the possibility of the selectivity of the oxidative cleavage in favor of vicinal acyclic diols without affecting cyclic diols of the disaccharide backbone, we also optimized the reaction conditions of oxime ligation to obtain a second one-pot procedure of oxidative cleavage/oxime ligation for the rapid modification of the NRE of HS fragments. This strategy of functionalization of the RE and NRE of oligosaccharides was implemented into our current synthetic pathway of preparation of HS fragments: a tetrasaccharidic HS fragment was representatively modified using this strategy for the synthesis of CXCL12 neutraligands and SAS mimics.

Nos travaux ont porté sur le développement d'une méthode contrôlée de complexation de polyélectrolytes. La complexation est un processus spontané, sous contrôle cinétique et irréversible dans le cas de polysaccharides tels que le chitosane et les polysulfates, essentiellement le sulfate de dextrane ou l'héparine. Une conséquence de ce contrôle cinétique est que l'obtention d'objets de taille colloïdale requiert de travailler à fortes dilutions. De plus, les nanovecteurs obtenus ne sont pas toujours compatibles avec des conditions d'utilisation dans des milieux physiologiques. Le contrôle de l'association de polysaccharides se fait par écrantage des interactions électrostatiques attractives en présence de chlorure de sodium à la concentration au moins égale à 2 mol.L-1. L'élimination du sel par dialyse induit la formation d'hydrogels dont les caractéristiques et les propriétés dépendent principalement du rapport de charges n+/n- et de la cinétique d'élimination du sel. Ainsi, l'on peut former des hydrogels massifs ou des systèmes dispersés à des concentrations en polymères jusqu'à 30 fois plus élevées que par les méthodes sous contrôle cinétique. De plus, cette technologie permet l'encapsulation des principes actifs dans les particules qui peuvent aussi être fonctionnalisées par des biomolécules d'adressage. Le résultat majeur de ce travail réside en la maîtrise des associations entre polysaccharides de charges opposées, permettant d'obtenir des systèmes colloïdaux et massifs à fort potentiels d'applications biomédicales / Our work dealt with the development of a controlled method of polyelectrolyte complexation. The complexation is a spontaneous process, under kinetic control and irreversible in the case of polysaccharides such as the chitosan and polysulfates, essentially dextran sulfate or heparin. A consequence of this kinetic control is the requirement to work at high dilution to obtain objects of colloidal size. Moreover, the obtained nanovectors were not always adapted for use in physiological media. The control of the association of polysaccharides was achieved by screening the attractive electrostatic interactions in the presence of sodium chloride at concentration at least equal to 2 mol. L-1. Removal of salt by dialysis resulted in the formation of hydrogels, whose characteristics and properties depended mainly on the charge ratio n +/ n- and the kinetics of the salt elimination. Thus, massive or dispersed hydrogels were formed at polymer concentrations up to 30 times higher than by the methods under kinetic control. Furthermore, this technology allowed the encapsulation of active ingredients in the particles that could also be functionalized with biomolecules for targeting. The major result of this work was the control over the associations between oppositely charged polysaccharides which provided colloidal and massive systems of high potentialities in biomedical applications

Le narval (Monodon monoceros) est une espèce emblématique de l'Arctique. Les narvals sont de plus en plus exposés à des perturbations anthropiques, pouvant augmenter leur niveau de stress et, par conséquent, avoir des impacts inconnus sur la dynamique de la population. La validation et l’étude de biomarqueurs de stress chronique pourraient donc améliorer les efforts de conservation chez cette espèce. La déhydroépiandrostérone (DHEA) et son métabolite sulfaté, la DHEA-S, sont collectivement appelés DHEA(S). Lorsque combinés sous forme de ratios avec le cortisol (cortisol/DHEA(S)), ils se sont révélés prometteurs dans l'évaluation du stress chronique chez les humains et certaines espèces animales domestiques ou sauvages. Au cours de projets de pose d’émetteurs en 2017 et 2018 dans la baie de Baffin, Nunavut, Canada, des narvals (n = 14) ont été échantillonnés au début et à la fin des manipulations. La DHEA(S) sérique a ensuite été mesurée à l’aide de deux techniques immuno-enzymatiques (ELISAs) développées pour les humains et disponibles commercialement. Une validation partielle des deux ELISAs a pu être réalisée par détermination du coefficient de variation intra-essai, confirmation de la linéarité de dilution de la DHEA(S) et calcul du pourcentage de récupération. La DHEA était également bien conservée dans le sérum de narvals suite à un stockage prolongé de 12 et 24 mois à -80°C, soulignant le potentiel d'analyse d'échantillons archivés. Les valeurs sériques moyennes (ng/ml ± SEM) de cortisol, de DHEA(S) et des ratios cortisol/DHEA(S) au début et à la fin des manipulations respectivement étaient les suivantes : cortisol = 30,74 ± 4,87 et 41,83 ± 4,83; DHEA = 1,01 ± 0,52 et 0,99 ± 0,50; DHEA-S = 8,72 ± 1,68 et 7,70 ± 1,02; cortisol/DHEA = 75,43 ± 24,35 et 84,41 ± 11,76; cortisol/DHEA-S = 4,16 ± 1,07 et 6,14 ± 1,00). Le cortisol sérique et le ratio cortisol/DHEA-S étaient statistiquement plus élevés à la fin des manipulations (P = 0,024 et P = 0,035 respectivement). De plus, le cortisol sérique à la fin des manipulations était positivement corrélé à la longueur totale du corps de l’animal (P = 0,042) et avait tendance à être plus élevé chez les mâles (P = 0,086). Cette étude confirme que ces ELISAs sont une méthode d’analyse facile à réaliser, rapide et appropriée pour mesurer la DHEA(S) sérique chez le narval. La DHEA(S) sérique et les ratios cortisol/DHEA(S) représentent des biomarqueurs potentiels pour évaluer le stress chronique chez les narvals et possiblement chez d'autres espèces de cétacés. / Narwhals (Monodon monoceros) are an iconic Arctic species and are increasingly being exposed to anthropogenic disturbances that may increase their stress levels with unknown consequences for the overall population dynamics. The validation and measurement of chronic stress biomarkers could contribute towards an improved understanding and conservation efforts for this species. Dehydroepiandrosterone (DHEA), and its sulfated metabolite DHEA-S, are collectively referred to as DHEA(S). When serum DHEA(S) concentrations are combined in a ratio with cortisol (cortisol/DHEA(S)), it has shown promise for evaluating chronic stress in humans, domestic animals, and wildlife. During field tagging in 2017 and 2018 on Baffin Bay, Nunavut, Canada, wild narwhals (n = 14) were sampled at the beginning and end of capture-tagging procedures (acute stressor). Serum DHEA(S) were measured with commercially available competitive enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) developed for humans. A partial validation of the assays was performed by determination of the intra-assay coefficient of variation, confirmation of the DHEA(S) dilutional linearity, and the calculation of the percentage of recovery. In addition, DHEA was conserved following extended storage at -80°C, highlighting the potential to analyze archival samples. Mean values (ng/mL ± SEM) of narwhal serum cortisol, DHEA(S), and cortisol/DHEA(S) ratios at the beginning and at the end of handling respectively are reported (cortisol = 30.74 ± 4.87, 41.83 ± 4.83; DHEA = 1.01 ± 0.52, 0.99 ± 0.50; DHEA-S = 8.72 ± 1.68, 7.70 ± 1.02; cortisol/DHEA = 75.43 ± 24.35, 84.41 ± 11.76, and cortisol/DHEA-S = 4.16 ± 1.07, 6.14 ± 1.00). Serum cortisol and cortisol/DHEA-S were statistically higher at the end of the capture (P = 0.024 and P = 0.035 respectively). Moreover, serum cortisol at the end of handling and prior to release was positively correlated to total body length (P = 0.042) and tended to be higher in males (P = 0.086). This study showed that these assays are easy to perform, rapid, and suitable for measuring serum DHEA(S) of narwhals and that serum DHEA(S) and calculated cortisol/DHEA(S) are potential biomarkers for chronic stress in narwhals and possibly other species of cetaceans, but this requires additional study.

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[pt] Sabe-se que o coagulante sulfato férrico pode ser obtido através da reação de oxidação entre sulfato ferroso e peróxido de hidrogênio em meio ácido. Porém, o método conhecido de obtenção deste coagulante em escala industrial utilizando o peróxido de hidrogênio como agente oxidante não proporciona condições economicamente atrativas, frente aos demais processos. Este potente agente oxidante sofre forte influência da temperatura e da presença de íons ferro no seu processo de auto decomposição em água e oxigênio. Pode-se considerar que as condições do meio reacional, na etapa de adição do agente oxidante, são os fatores determinantes para a produção do coagulante férrico com o maior aproveitamento do peróxido de hidrogênio adicionado. O presente trabalho teve como objetivo investigar as condições necessárias para a produção do coagulante férrico utilizando o peróxido de hidrogênio, em um processo economicamente competitivo. A pesquisa foi fundamentada nas técnicas de planejamento de experimentos e otimização de processos. A modelagem matemática do processo possibilitou a definição da magnitude dos parâmetros a serem utilizados otimizando o processo e a especificação das características desejadas do produto final. As variáveis independentes estudadas na modelagem matemática foram: temperatura (7,5 – 27,5 graus celsius), quantidade de peróxido de hidrogênio (100 – 300 porcento) referente à sua quantidade estequiométrica e a diluição do meio utilizando água (100 – 300 porcento) referente à sua quantidade estequiométrica. As quantidades estequiométricas dos reagentes foram determinadas visando ao atingimento das especificações de um coagulante férrico comercial. O modelo desenvolvido foi sobre a Conversão de Fe2(+) em Fe3(+) (porcento) e avaliado através da Análise da Variância (ANOVA). As condições ótimas escolhidas para o ponto ótimo foram: temperatura igual a 17,5 graus celsius, 150 porcento da quantidade estequiométrica de peróxido de hidrogênio e 200 porcento da quantidade estequiométrica de água. A resposta da etapa de otimização indicou uma conversão de 96,17 porcento de Fe2(+) em Fe3(+), resultando em um coagulante dentro dos padrões especificados por norma técnica. O modelo matemático obtido previu uma conversão de 96,13 porcento de Fe2(+) em Fe3(+), resultando em um erro percentual de 0,043 porcento entre o resultado predito pelo modelo matemático e o resultado experimental. As análises das superfícies de resposta e da quantidade de peróxido de hidrogênio residual em solução indicaram que o controle do processo em baixas temperaturas contribui para o melhor aproveitamento do peróxido de hidrogênio na conversão de Fe2(+) em Fe3(+), devido à desaceleração da auto decomposição incitada pelo fator temperatura. A análise do potencial de redução ao longo da reação em função do perfil de conversão mostrou que conversões acima de 90 porcento de Fe2(+) em Fe3(+) apresentaram potencial redox (Eh) correspondente acima de 0,70 Volts, indicando a possibilidade da utilização deste parâmetro no controle da conversão em processos industriais. / [en] It is known that the coagulant ferric sulfate can be obtained by the oxidation reaction of ferrous sulfate with hydrogen peroxide in acidic medium. However, the known method of obtaining this coagulant on an industrial scale using hydrogen peroxide as an oxidizing agent do not provide economically attractive conditions compared to other processes. This potent oxidizing agent undergoes strong influence of the temperature and the presence of iron ions in its process of self-decomposition in water and oxygen. It can be considered that the conditions of the reaction medium in the step of adding the oxidizing agent are the determining factors for the production of the ferric coagulant with the greatest use of the added hydrogen peroxide. The present work had the objective of investigating the necessary conditions for the production of the ferric coagulant using the hydrogen peroxide as an economically competitive process. The research was based on the techniques of factorial design and process optimization. The mathematical modeling of the process allowed the definition of the magnitude of the parameters to be used, optimizing the process and specifying the desired characteristics of the final product. The independent variables studied in the mathematical modeling were: temperature (7,5 – 27,5 celsius degrees), amount of hydrogen peroxide (100-300 percent) relative to its stoichiometric amount, and dilution of the medium using water (100-300 percent) relative to its stoichiometric amount. The stoichiometric quantities of the reactants were determined in order to reach the specifications of a commercial ferric coagulant. The model developed was on Conversion of Fe2(+) to Fe3(+) (percent) and evaluated through Analysis of Variance (ANOVA). The optimum conditions chosen for the optimum were: temperature equal to 17,5 Celsius degrees, 150 percent of the stoichiometric amount of hydrogen peroxide and 200 percent of the stoichiometric amount of water. The optimization of the response surfaces indicated a conversion of 96.17 percent Fe2(+) to Fe3(+), resulting in a coagulant within the characteristics specified by the technical standard. The obtained mathematical model predicted a conversion of 96.13 percent Fe2(+) to Fe3(+), resulting in a percentage error of 0,043 percent between the predicted results by the mathematical model and the experimental results. The analysis of the response surfaces and the amount of residual hydrogen peroxide in solution indicated that the control of the process at low temperatures contributes to the better utilization of the hydrogen peroxide in the conversion of Fe2(+) into Fe3(+), due to the deceleration of the self-induced decomposition by the factor temperature. The analysis of the reduction potential along the conversion profile function showed that conversions above 90 percent of Fe2(+)into Fe3(+) presented a corresponding redox potential (Eh) above 0,70 Volts, indicating the possibility of using this parameter for the control of conversion into industrial processes.

Sediments rich in sulfide were deposited in the Littorina sea in an environment that was shallow, anoxic,and reductive. The sediments were brought above sea level by isostatic uplift and can now be foundalong the coast of the Baltic sea. These sulfide rich sediments oxidize when they are exposed to air whenthe water table is lowered due to uplift, anthropogenic activities, or hydrological droughts. Oxidation ofsulfate soils will lower the pH and mobilize metals in the soil that will leach into adjacent rivers and willimpact the water chemistry and damage ecosystems. A few studies have noted that leaching increasesin sulfate soils after drought which has resulted in fish death. The impact of droughts on leaching from sulfate soils were investigated in nine rivers (Flarkbäcken,Hertsångerälven, Kvismare canal, Kyro river, Närpes River, Persöfjärden, Storbäcken, Tjuståsaån, andToby river) by looking at time series of sulfate concentrations and drought periods. The impact on riversafter a drought was studied by plotting the deviation from median specific discharge in summer andautumn against the deviation from median concentration of SO42-, a suite of metals and pH the followingseason with high discharge e.g. spring. The metals that were examined in the river were Aluminum (Al),Cadmium, (Cd), Cobalt (Co), Cupper (Cu), Iron (Fe), Manganese (Mn), Nickle (Ni), Zinc (Zn).TheKendall’s τ was then used to determine if the relationship between discharge and leached compoundconcentration was significant and which direction it had. In the sulfate timeseries the hydrological droughts generally coincided with low SO42- and werefollowed by SO42- peaks. The sulfate concentrations increased significantly after droughts, and theincrease in SO42- lasted for 1-3 years for most rivers. In two Finnish rivers the SO42- remained higher alonger time of 5 years in Kyro river and Närpes river after multiyear droughts. In Kvismare canal, Kyroriver, Närpes river and Tjuståsaån the SO42- concentration was higher in the mid-1900s which could bedue to changes in ditching activity, the acid sulfate soils transitioning to post active sulfate soils afterthe ditching activity stopped in the regions, or SO42- air deposition historically being greater. SO42-, Co, Ni, and Zn had negative significant correlations in a majority of the rivers, while pH, Fe,and total organic carbon had significant positive correlations a majority of rivers. A negative correlationindicates high concentrations of the leached compound after a drought while positive correlationsindicate low concentrations of the leached compound after a drought. Al, Cd, Cu, and Mn did not havea significant correlation in a majority of the rivers which could be due to their dependence on pH whichwill not always change in the rivers in spring due to acidic water leaching from acid sulfate soils sincethe acidic water will be diluted by meltwater. / Efter senaste istiden var vattnet i havet syrefritt och reducerande vid havsbotten, vilket ledde till attsulfidmineral avsattes. Dessa sulfidrika sediment har hamnat ovanför havsytan på grund avlandhöjningen och finns i kustnära områden runt östersjön. Sulfidsedimenten oxiderar om de kommer ikontakt med syre vilket kan ske på grund av landhöjning, mänskliga aktiviteter, eller torka som sänkergrundvattennivåerna. När sulfatjordarna oxiderar sänks pH i jorden och metaller frigörs vilka sedanlakas ur jorden och påverkar närliggande vattendrag och ekosystem. Lakning av metaller har i någrastudier setts öka efter extrem torka vilket i vissa fall har lett till fiskdöd. I nio vattendrag (Flarkbäcken, Hertsångerälven, Kvismare kanal, Kyro älv, Närpes å, Persöfjärden,Storbäcken Tjuståsaån och Toby å) undersöktes hur torka påverkar urlakning från sura sulfatjordar. Deämnen som undersöktes var Aluminium (Al), Kadmium (Cd), Kobolt (Co), koppar (Cu), Järn (Fe),Mangan (Mn), Nickel, (Ni), Totalt Organiskt Kol (TOC), och Zink (Zn). Sambandet mellanvattenföringens avvikelse från medianen under de sommar samt höst och avvikelsen avkoncentrationerna av urlakade ämnen från medianen följande årstid med högt flöde plottades för attundersöka hur sambandet såg ut. De statistiska testerna Kendalls τ användes för att utvärdera om enkorrelation existerade och i vilken riktning den gick. Sulfatkoncentrationerna var generellt sett väldigt låga under torrperioder men ökad snabbt efter atttorkan avtagit. Den förhöjda sulfatkoncentrationen varade generellt sett i 1-3 år för de flesta vattendrag.Det fanns däremot två undantagsfall då sulfatkoncentrationerna var förhöjda i Kyro älv och Närpes åunder 5 år efter en torrperiod som varat i flera år. I Kvismare kanal och Tjuståsaån varsulfatkoncentrationerna, högre under mitten av 1900-talet. De högre koncentrationerna av sulfat kanbero på att det var mer dikning, eller större mängd luftföroreningar under denna period. Sambanden för sulfat, Co, Ni och Zn visade att efter torra perioder var koncentrationerna högre i enmajoritet av vattendrag än normalt. pH, Fe och TOC visade på ett motsatt samband. Efter torrperiodersjönk därmed koncentrationen Fe och TOC i en majoritet av vattendragen. Al, Cd Cu, och Mn hadesignifikanta samband i mindre än 50 % av vattendragen vilket kan vara till följd av att de är beroendeav pH som själv inte hade en tydlig korrelation i alla vattendrag. pH sjunker i många fall inte särskiltmycket till följd av en torka då vattnet som lakas ut från sulfatjorden späds ut av smältvatten undervåren.

In recent years, the excessive specific conductance (SC) of Appalachian coal mining runoff waters has become a parameter of concern with the EPA due to its negative effect on aquatic life and water quality. In order to comply with the EPA guidance suggesting an effluent SC of 500 µS/cm, the Appalachian Research Initiative for Environmental Science (ARIES) Center at Virginia Tech requested that testing be done to determine the most effective technologies for reduction of SC. Runoff water was collected from two sites in southwestern Virginia and characterized to determine the source of SC in the water. The main contributing ions were determined to be Na⁺, Mg²⁻, Ca²⁺, and SO₄²⁻. Testing was performed to assess the possibility of using the speciation software, MINEQL+, with a set of empirical equations which predict SC using ionic composition for natural waters with a low to medium SC. The physicochemical treatment methods tested were ion exchange, excess lime-soda softening, and the Cost Effective Sulfate Removal (CESR) process. Both cation (H⁺ exchanger) and anion (Cl⁻ exchanger) exchange media were tested separately in batch reactors, which resulted in a higher effluent SC than initial SC. The softening method investigated, excess lime-soda softening, also resulted in increased SC levels because non-carbonate hardness levels were high and carbonate concentrations were low. The CESR process successfully lowered SC from 1,500-2,500 µS/cm to below the proposed EPA limit of 500 µS/cm. The success of this process was due to its ability to remove more than 85% of the calcium, magnesium, and sulfate from the water, which together accounted for more than 90% of ions in the source water. / Master of Science / In recent years, mining activities have generated large amounts of unweathered rock from blasting. This rock, which is often stored in valleys near the blasting sites, releases salts into water that passes over the rocks when it rains. The salty water flows into nearby streams populated with freshwater fish and other organisms that suffer when their environmental conditions are changed. The Appalachian Research Initiative for Environmental Science (ARIES) Center at Virginia Tech requested that testing be done to determine which engineering techniques would be most effective for reduction of these salts. The amount of salt in the water is measured by specific conductance (SC), which measures how well the water conducts electricity. Testing was also done to determine which types of salts were in the water; the results showed that the largest contributors were sodium, magnesium, calcium, and sulfate ions. Three engineering techniques were investigated for removal of the contributing ions: ion exchange, softening, and the Cost Effective Sulfate Removal (CESR) process. Two types of ions exchange, one that targeted the positive ions (cation exchange) and one that targeted the negative ions (anion exchange), were tested. Both forms of ions exchange raised the SC to a higher concentration than the original water. Softening had a similar effect because one of the chemicals added during the process released additional sodium ions into the water. Finally, the CESR process was able to successfully reduce the SC below the limit proposed by the EPA as safe for stream life. This was due to the large reduction of three of the four major ions that was achieved during the CESR process.