京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21094号 / 工博第4458号 / 新制||工||1693(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市環境工学専攻 / (主査)教授 米田 稔, 教授 高岡 昌輝, 准教授 福谷 哲 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Die Handzahnbürste gilt seit Jahrhunderten als das Instrument zur mechanischen Reinigung von Zähnen. Sie kommt mehrmals täglich mit der Mundflora in Kontakt und ist somit potenzieller Träger verschiedenster humanpathogener Mikroorganismen. In einer In-vitro-Studie kontaminierten wir zwei Handzahnbürsten mit unterschiedlicher Borstenhärte (Dr. BEST Flex Plus mittel und hart) mit zwei etablierten Leitkeimen (Streptococcus mutans und Staphylococcus aureus). Vier verschiedene Dekontaminationsmethoden (24 -stündige Lufttrocknung, 0,2%ige CHX-Lösung, 0,2%iges CHX-Spray, UV-Ofen VIOlight) wurden anschließend verglichen und statistisch ausgewertet. Wir konnten nachweisen, dass die Borstenhärte nur je nach untersuchtem Bakterium einen signifikanten Einfluss auf die Keimbesiedlung des Borstenfeldes hat (nur bei Staphylococcus aureus). Eine zusätzliche Anwendung einer Dekontaminationsmethode zur reinen Lufttrocknung führte immer zu einer weiteren Bakterienreduktion auf dem Borstenfeld. Die Bestrahlung mit UV-Licht zeigte den größten Einfluss auf die Keimbesiedlung bei Zahnbürsten (mittel und hart), welche mit dem Bakterium Streptococcus mutans kontaminiert wurden, sowie bei den mit Streptococcus aureus kontaminierten Zahnbürsten mit harten Borsten. Die Methoden mit dem Wirkstoff CHX führten bei den Zahnbürsten mit mittlerer Borstanhärte und der Kontamination mit Straphylococcus aureus zur stärksten Bakterienreduzierung.

Aujourd’hui, plus de 65% des sites pollués en France le sont par des COVs (BASOL), considérés comme étant très dangereux et toxiques pour l’homme et l’environnement. Cela nécessite d’utiliser des techniques de traitement pour restaurer les sites et limiter les risques de propagation vers les eaux souterraines. L’extraction multiphasique MPE est une méthode physique de traitement des COVs. Elle a plusieurs avantages : essentiellement économique, le fait de pouvoir être utilisée in-situ et le fait de permettre la remédiation simultanée de deux zones saturée et non saturée du sous-sol. L’objectif de cette thèse est d’étudier cette technique en développant un modèle mathématique qui permet de décrire l’écoulement multiphasiques des différentes phases, le transport et le transfert de masse entre ces phases. Deux sols sableux et un polluant modèles sont choisis et caractérisés. Des dispositifs expérimentaux sont utilisés pour l’étude de l’écoulement diphasique et multiphasique ainsi que l’étude de transfert de masse. Un modèle numérique est développé, il se compose de trois EDPs pour l’écoulement (gazeuse, aqueuse et PLNA) et quatre EDPs pour le transport/transfert de masse pour chaque composé. La validation du modèle MPE est réalisée par la vérification de différentes parties qui le constituent séparément. La partie de l’écoulement diphasique est vérifiée à travers les résultats d’expérience de drainage sur colonne 1D et sur des résultats issus de la littérature d’une cellule type Hele-show 2D. L’importance du choix des conditions aux limites est mise en évidence. La partie de l’écoulement triphasique est vérifiée à travers les résultats d’expériences d’infiltration sur cellule 2D, l’une réalisée au laboratoire et l’autre issue de la littérature. L’étude porte sur l’effet du choix des dimensions d’expériences de laboratoire sur l’extrapolation des résultats à l’échelle du terrain. La partie transport/transfert de polluant est vérifiée à travers des expériences d’extraction sous vide/Venting. Le coefficient de transfert est déterminé avec une meilleure précision que celle des modèles issus de la littérature. Enfin une simulation à l’échelle de terrain est effectuée avec le modèle MPE pour simuler la dépollution d’un site pollué selon un scénario supposé et développé par la MPE. Les limites de la méthode pour la dépollution de la frange capillaire sont mises en évidence. / Today, over 65% of polluted sites in France are by VOCs (BASOL), considered to be very dangerous and toxic to humans and the environment. This requires using treatment techniques to restore the sites and limit the risk of spread to groundwater. The multiphase extraction MPE is a physical method of soil VOCs treatment. It has several advantages: essentially economic, being able to be used in site and permitting the simultaneous remediation of both saturated and unsaturated zones. The objective of this thesis is to study this technique by developing a mathematical model to describe the multiphase flow of different phases, transport and mass transfer between these phases. Two sandy soils and a pollutant models are selected and characterized. Experimental devices are used to study the two-phase, multiphase flow and mass transfer. A numerical model is developed; it consists of three PDEs for the flow (gas, water and NAPL) and four PDEs to pollution transport/mass transfer for each compound. MPE Model validation is performed by the verification of different constituent parts separately. The two-phase flow is confirmed by the drainage experiment results of 1D column and of the results of the literature of a 2D Hele-show tank. The importance of the choice of boundary conditions is highlighted. The part of the three-phase flow is verified through the results of infiltration experiments on 2D tank, one conducted in the laboratory and the other of the literature. The study focuses on the effect of the choice of laboratory experiments dimensions on the extrapolation of results across the field. The transport/mass transfer part is verified by SVE/Venting experiments. The transfer coefficient is determined with a precision better than models from the literature. Finally a simulation at the field scale is carried out with the MPE model to simulate the remediation of polluted sites by MPE for a supposed scenario. The limitations of the method for remedying the capillary fringe are highlighted.

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Highly selective and sensitive phosphate sensors have been fabricated by constructing a solid membrane disk consisting of variable mixtures of aluminium powder (Al), aluminium phosphate (AlPO4) and powdered copper (Cu). Both binary and ternary electrode systems are produced depending on their composition. The ternary membranes exhibit greater selectivity over a wide range of concentrations. The ternary electrode with the composition 25% AlPO4, 25% Cu and 50% Al was selected as our preferred electrode. The newly fabricated ternary membrane phosphate selective electrodes exhibited linear potential response in the concentration range of 1.0 × 10−6 to 1.0 × 10−1 mol L−1. The electrodes also exhibit a fast response time of <60 s. Their detection limit is 1.0 × 10−6 mol L−1. The unique feature of the described electrodes is their ability to maintain a steady and reproducible response in the absence of an ionic strength control. The electrodes have a long lifetime and can be stored in air when not in use. The selectivity of the new phosphate selective electrodes with respect to other common ions is excellent. The results obtained provide further insight into the working principles of the newly fabricated phosphate selective electrodes. Dephosphorylation and phosphorylation reactions were monitored using the preferred phosphate selective electrode. The following reactions were studied and inferences drawn; (a) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[OH(PO2O)]2- for 1:1, 2:1 and 3:1 *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[OH(PO2O)]2- ratios.(b) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[O2NC6H4PO2(O)(OH)]- for 1:1, 2:1 and 3:1 *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[O2NC6H4PO2(O)(OH)]- ratios. (c) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[(OH)2(PO2)2O]2- for 1:1, 2:1 and 3:1 [{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[(OH)2(PO2)2O]2- ratios, and (d) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[(OH)2(PO2)3O2]3- for the 1:1, 2:1 and 3:1 [{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[(OH)2(PO2)3O2]3- ratios. Further insight into dephosphorylation and phosphorylation reactions is unravelled by the novel phosphate selective electrode monitoring. *For clarity of the complexes utilized, see chapter 4, table 4.1. KEY WORDS; Dephosphorylation, phosphorylation, ion selective electrodes, phosphate ion selective electrode, decontamination, electromotive force, potential difference, activity, concentration, selectivity coefficient, calibration, ionic strength, hydrolysis, inorganic phosphates, nitrophenylphosphate, pyrophosphate, tripolyphosphate, organophosphate esters. / Chemistry / D.Phil (Chemistry)

<p>U radu je ispitan i razvijen novi pristup tretmanu kože goveda prirodnom smolom &scaron;elak, koja je dozvoljena za kori&scaron;ćenje u hrani, u cilju redukcije unakrsne mikrobiolo&scaron;ke kontaminacije sa kože na goveđe meso. Mehanizam ovog tretmana je baziran na imobilizaciji mikroorganizama na dlaci tretirane kože i prevenciji njihovog fizičkog prenosa sa dlake na meso trupova tokom procesa obrade zaklanih goveda.<br />U in vitro uslovima, tretman uzoraka vizuelno čiste i suve kože 23% rastvorom &scaron;elaka u etanolu je redukovao prenos sa kože na sunđere kojima je koža uzorkovana brisevima: ukupne mikroflore (TVC) za 6,6 log (&gt;1000 puta vi&scaron;e u odnosu na 2,9 log redukcije kod tretmana samo etanolom), generičke Escherichia coli za najmanje 2,9 i Enterobacteriaceae za najmanje 4,8 log. Ove redukcije sve tri grupe mikroorganizama su bile značajno vi&scaron;e u odnosu na redukcije postignute tretmanom kože kombinacijom ispiranja sanitajzerom i vakumiranja. Značajno vi&scaron;e redukcije prenosa TVC sa kože na sunđerske briseve su postignute kori&scaron;ćenjem vi&scaron;ih koncentracija &scaron;elaka (23% i 30%) u odnosu na niže (4,8-16,7%) i u slučajevima kada je temperatura rastvora &scaron;elaka bila 20, 30 ili 40oC u odnosu na 50oC i 60oC. Takođe, tretman kože &scaron;elakom je značajno (3,7 puta) redukovao prevalencu E. coli O157 na prirodno kontaminiranoj, neinokulisanoj koži, kao i broj E. coli O157 na ve&scaron;tački inokulisanim kožama (redukcija od 2,1 log), u odnosu na odgovarajuće netretirane kontrole.<br />U uslovima laboratorijskog modela direktnog kontakta kože i mesa, tretman kože (različitih kategorija čistoće) 23% rastvorom &scaron;elaka je značajno smanjio prenos mikroorganizama sa tretirane kože na sterilno goveđe meso: do 3,6 log cfu/cm2 redukcije ukupnog broja bakterija (TVC), do 2,5 log cfu/cm2 Enterobacteriaceae (EC) i do 1,7 log cfu/cm2 generičke E. coli (GEC). Redukcija prenosa TVC je bila značajno vi&scaron;a, a redukcije EC i GEC slične, u odnosu na redukcije nakon tretiranja kože kombinacijom ispiranja-vakumiranja sanitajzerom.<br />U uslovima male komercijalne klanice sa nezadovoljavajućom procesnom praksom (klanje prljavih goveda i neadekvatna higijena procesa klanja i obrade), tretman koža zaklanih goveda 23% rastvorom &scaron;elaka je rezultirao značajnom mikrobnom redukcijom na mesu trupova goveda nakon skidanja kože: 1,7 log cfu/cm2 TVC, 1,4 log cfu/cm2 EC i 1,3 log cfu/cm2 GEC. Redukcija TVC na mesu trupova je bila značajno vi&scaron;a, a redukcije EC i GEC slične, u odnosu na redukcije nakon tretiranja kože ispiranjem-vakumiranjem sanitajzerom.<br />Ova istraživanja su po prvi put pružila naučne dokaze da se tretman kože goveda u cilju imobilizacije mikroflore na dlaci može uspe&scaron;no koristiti u cilju smanjenja kontaminacije mesa trupova tokom procesa skidanja kože, unapređenja finalnog mikrobiolo&scaron;kog statusa mesa i bezbednosti goveđeg mesa uop&scaron;te. Da bi se ostvario puni potencijal ovog novog tretmana u praksi, neophodna su dalja istraživanja u cilju njegove tehničke optimizacije u uslovima industrije mesa.</p> / <p> In this research, a new approach to cattle hide treatments, based on using a natural, food-grade resin, Shellac, to reduce microbial cross-contamination from the hides onto carcass meat, was developed and evaluated. The basis of this treatment is immobilisation of microorganisms on cattle hide&rsquo;s hair and subsequent reduction of their transmissibility from the hair onto carcass meat during dressing of slaughtered cattle.<br /> Under in vitro conditions, treatment of samples of visually clean and dry hides with 23% Shellac-in-ethanol solution reduced sponge-swabbing recoveries of general microflora (TVC) by a factor of 6.6 logs (&gt;1000-fold greater than the 2.9 log reduction observed by ethanol alone), and of generic E. coli (GEC) and Enterobacteriaceae (EC) by factors of at least 2.9 and 4.8 logs, respectively. The reductions of these three groups of microorganisms were superior to those achieved by a sanitizer rinse-vacuum hide treatment. Significantly greater reductions of TVC recoveries from hides were achieved when using higher Shellac concentrations (23.0% and 30.0% rather than 4.8-16.7%) and when Shellac solution temperatures were 20-40&deg;C rather than 50-60&deg;C. Furthermore, the Shellac-based treatment also markedly reduced the E. coli O157 prevalence (3.7-fold reduction) on natural, uninoculated hides, as well as the counts of E. coli O157 on artificially inoculated hides (2.1 log reduction) when compared to corresponding untreated controls.<br /> Under the conditions of a hide-to-meat direct contact laboratory-based model, treatment of hides (of varying visual cleanliness) with the 23% Shellac solution produced significant reductions of microbial transfer from treated hide onto sterile beef: up to 3.6 log10 CFU/cm2 of TVC, up to 2.5 log10 CFU/cm2 of EC and up to 1.7 log10 CFU/cm2 of GEC. TVC reductions of microbial transfer from treated hide onto beef achieved by the Shellac hide treatment were superior to those achieved by the comparative sanitizer rinse-vacuum hide treatment, but reductions of EC and GEC did not differ between the two hide treatments.<br /> In a small commercial abattoir with unsatisfactory process practices (slaughtering dirty cattle, inadequate process hygiene), treatment of hides with Shellac produced significant microbial reductions on skinned beef carcasses: 1.7 log10 CFU/cm2, 1.4 log10 CFU/cm2 and 1.3 log10 CFU/cm2 of TVC, EC and GEC, respectively. TVC reductions on skinned beef carcasses achieved by the Shellac hide treatment were superior to those achieved by the comparative sanitizer rinse-vacuum hide treatment, but reductions of EC and GEC did not differ significantly between the two hide treatments.<br /> These investigations produced the first scientific evidence that treatment of cattle hides with aim of immobilising microflora on the hair can be very successfully used to reduce carcass meat contamination during the skinning operation, thus improving the microbiological status of the final beef carcasses as well as the beef safety in general. To achieve the full potential of this new treatment in practice, further research aimed at its further technical optimization under real-life meat industry conditions is necessary.</p>

Cette étude porte sur la décontamination de matrices textiles en milieu CO2 dense (CO2 liquide ou CO2 supercritique). Elle s'inscrit dans le cadre de la décontamination des textiles utilisés dans l'industrie nucléaire. Le CO2 dense est proposé comme alternative au milieu aqueux utilisé dans le procédé actuel et qui génère une importante quantité d'effluents aqueux contaminés nécessitant un post-traitement. Le contaminant étudié est le cobalt qui peut se présenter sous forme ionique ou particulaire. L'extraction du cobalt en milieu CO2 dense est assurée par un additif : un tensioactif macromoléculaire CO2-phile/CO2-phobe complexant. Plusieurs familles d'additifs ont été synthétisées par polymérisation radicalaire contrôlée : des copolymères à gradient comportant des motifs CO2-philes, siliciés ou fluorés, et des motifs CO2-phobes complexants de types acétoacétoxys, diéthylphosphonates ou acides phosphoniques. Le comportement de ces copolymères dans le CO2 dense a été évalué grâce à la détermination des diagrammes de phases copolymère-CO2 (par la mesure du point de trouble) et grâce à l'étude de leur autoorganisation dans le CO2 dense (par diffusion de neutrons aux petits angles). Les copolymères fluorés se sont avérés être les plus avantageux en termes de solubilité. Néanmoins, les copolymères siliciés présentent une solubilité compatible avec le procédé et ils constituent donc une alternative intéressante pour éviter la présence de fluor gênant pour le conditionnement des déchets nucléaires. L'étude de la complexation du cobalt par les copolymères (par spectrométrie UV-visible et par torche à plasma couplée à un spectromètre d'émission atomique) a permis d'établir des relations entre le type de motif complexant et l'affinité avec le cobalt. La solubilité dans le CO2 dense de ces complexes copolymères-cobalt est comparable à celle des copolymères seuls. De plus, l'étude de l'auto-organisation en milieu CO2 dense a révélé un faible taux d'agrégation des complexes copolymères-cobalt. Enfin, les copolymères synthétisés ont été mis en oeuvre dans les procédés de décontamination particulaire et ionique. Dans le cas du procédé de décontamination ionique, l'emploi du copolymère à gradient poly(acrylate de 1,1,2,2-tétrahydroperfluorodécyle-co-diacide vinylbenzylphosphonique) a permis d'atteindre environ 70% de décontamination grâce à la formation d'une microémulsion d'eau dans le CO2 dense. L'efficacité du procédé dedécontamination a été portée à 97% grâce à l'emploi de pyridine comme tiers additif. / This study is about textile decontamination in dense CO2 (liquid CO2 or supercritical CO2). The study is carried out in the framework of decontamination of textile used in the nuclear industry. The dense CO2 offers an alternative to aqueous medium used in the current process which generates a huge quantity of contaminated aqueous effluent requiring a post-treatment. Cobalt is the targeted contamination and can be found as ionic species or particles. The cobalt extraction in dense CO2 is achieved with an additive : a complexing CO2-philic/CO2-phobic macromolecular surfactant. Several types of additives were synthesized by controlled free radical polymerization : gradient copolymers made with CO2-philic groups (silicone-based or fluorinated moieties) and CO2-phobic complexing groups (acetoacetoxy, diethylphosphonate or phosphonic acid moieties). The copolymer behavior in dense CO2 was determined by phase diagram measurements (cloud point method) and their self-assembly in dense CO2 was investigated by small angle neutron scattering. The fluorinated copolymers were found advantageous in terms of solubility. Nevertheless, the silicone-based copolymers showed solubilities which are compatible with the process, therefore they are a good alternative to avoid fluorinated compounds which are unwanted in the conditioning of nuclear wastes. The study of cobalt complexation by the copolymers (UV-vis spectroscopy and inductively coupled plasma-mass spectroscopy) established relations between the type of complexing group and the affinity with the cobalt. The solubility of copolymer-cobalt complexes in dense CO2 is similar to those of copolymers. Moreover, the self-assembly study of the complex revealed a low aggregation. Finally, the synthesized copolymers were used in particle or ionic decontamination processes. In the case of ionic decontamination process, a rate of 70% of decontamination was reached with the use of gradient copolymer poly(1,1,2,2-tetrahydroperfluorodecyle acrylate-covinylbenzylphosphonic diacid) which allowed the formation of water-in-CO2 microemulsion. The efficiency of the decontamination process was even improved up to 97% with the addition of pyridine in the process.

Mycobacterium tuberculosis est la cause d’une des maladies infectieuses les plus fréquentes dans le monde causant la mort de plus de 1,2 millions de personnes chaque année selon l’organisation mondiale de la santé (OMS). Actuellement, la tuberculose à M. tuberculosis émerge chez d’autres espèces comme l’a montré notre revue bibliographique des cas de tuberculose à M. tuberculosis chez les primates non-humains, les éléphants d’Asie, les animaux de ferme, les animaux de compagnie et certains animaux sauvages. Nous avons montré que ces trois espèces survivent dans le sol pendant au moins 12 mois et restent pathogènes dans un modèle souris. Egalement nous avons montré que le sol infecté par M. tuberculosis est une source potentielle de contamination pour les animaux. Nous avons ensuite développé un protocole de culture rapide de M. tuberculosis, incluant un nouveau milieu de culture solide, des conditions optimisées d’incubation, et la détection des microcolonies par autofluorescence. Notre travail de thèse a permis de mettre en place des techniques et protocoles qui révolutionnent la culture et l’isolement de M. tuberculosis en réduisant les délais de culture et des antibiogrammes, un point déterminant pour la lutte contre la tuberculose notamment dans les pays à ressources limitées et les pays à forte émergence de souches de M. tuberculosis de plus en plus résistantes. Ces protocoles sont en cours de transfert pour la routine de laboratoire. / Mycobacterium tuberculosis is the cause of one of the most common infectious diseases in the world killing more than 1.2 million people each year according to the World Health Organization (WHO). Currently, M. tuberculosis tuberculosis emerges in other species like non-human primates, Asian elephants, farm animals and some wild animals. We have shown that three species of M. tuberculosis complex survive in the soil for at least 12 months and are pathogenic in a mouse model and M. tuberculosis-infected soil is a potential source of infection for animals. We then developed a protocol for rapid culture of M. tuberculosis, including a new solid culture medium, optimized conditions of incubation, and detection of microcolonies by autofluorescence. Our thesis has helped develop techniques and protocols that are revolutionizing the culture and isolation of M. tuberculosis by reducing delays culture and susceptibility testing, a crucial point for the fight against tuberculosis, especially in countries limited resources and countries with strong emergence of M. tuberculosis strains more resistant. These protocols are being transferred to the routine laboratory.

La photocatalyse est un procédé d'oxydation avancée qui consiste en l'activation du dioxyde de titane sous UV pour générer des espèces oxydantes. Ces dernières sont capables d'inactiver les cellules vivantes. Nos travaux ont porté sur l'analyse des mécanismes antimicrobiens de la photocatalyse à l'échelle cellulaire et moléculaire sur le modèle eucaryote Saccharomyces cerevisiae, champignon unicellulaire. Le traitement photocatalytique affecte de manière drastique la cultivabilité de cette levure. La diminution de la cultivabilité a été reliée à la perte de l'intégrité membranaire et à la perte de l'activité enzymatique intracellulaire, analysées par cytométrie en flux. L'exposition des levures à la photocatalyse provoque des dommages à toutes les macromolécules (acides nucléiques, lipides membranaires, protéines) et par conséquent aux structures cellulaires ce qui engendre la libération de constituants cellulaires (ions, acides aminés), de même que la formation de produits de dégradation (malondialdéhyde, acides organiques). Ces dommages peuvent être liés à un stress oxydant intracellulaire suggéré par l'accumulation des ions superoxyde dans les cellules traitées et l'augmentation de la résistance pour les souches surexprimant des enzymes de dégradation des ROS. Enfin, l'étude de l'impact de la photocatalyse sur des organismes fongiques ayant un impact environnemental ou sur la santé, a révélé l'existence de cellules ou de structures fongiques résistantes. Ces résultats ont apporté des éléments de connaissance inédits sur l'impact de la photocatalyse sur les cellules eucaryotes fongiques et ouvrent de nouvelles perspectives notamment dans la compréhension du phénomène de résistance / Photocatalysis is an advanced oxidative process that generates reactive oxygen species (ROS) and inactivates living cells. The aim of this work was to have a better understanding of the antimicrobial mechanisms generated by photocatalytic treatment. The cellular impact was monitored using the unicellular fungal model, Saccharomyces cerevisiae yeast. Photocatalysis reduces drastically the cultivability of yeast cells. Flow cytometry analyses revealed that the decrease of cell cultivability was related to both damages in plasma membrane and loss of intracellular enzymatic activity. During exposure to photocatalysis, multiple cellular macromolecules are damaged (lipids, proteins, nucleic acids). These damages are responsible for cellular structure dysfunction leading to a release of intracellular compounds (ions, amino acids) and the formation of by-products and pollutant (carboxylic acids, malondialdéhyde). The increase of intracellular superoxide ions amounts and the higher resistance of yeast strains overexpressing ROS detoxifying enzymes suggested an intracellular oxidative status responsible for described macromolecular damages. Finally, exploring photocatalytic treatment on other environmental and health impact fungi revealed the presence of resistant cells or structures. For the first time, an interdisciplinary work focusing on cellular impacts of photocatalysis was monitored leading to a better understanding and to new perspectives