Thèse ou mémoire avec insertion d’articles. / Pour les transformateurs de l'industrie agroalimentaire, garantir la salubrité de leurs produits est une priorité absolue. Chaque étape de la production, de la manipulation des ingrédients aux différents procédés, peut potentiellement engendrer des maladies d'origine alimentaire. Les virus entériques, tels que le norovirus humain et le virus de l'hépatite A, sont des pathogènes pouvant mettre en danger le consommateur. Afin de minimiser ces risques, diverses méthodes de désinfection, tant physiques que chimiques, sont employées. Cependant, les propriétés structurales des différents genres viraux rendent difficile l'obtention d'un traitement virucide à large spectre. Pour cette raison, ce projet porte sur l'utilisation de composés chimiques novateurs à base de peracides pour l'inactivation virale. Pour atteindre cet objectif, quatre désinfectants ont été testés à différentes concentration (50, 80, 250, 500 et 1000 ppm) et temps de contact (0,5 1, 5, et 10 min) en solution liquide, sur de l'acier inoxydable et sur des petits fruits (fraise et bleuet). En solution liquide, l'acide perlevulinique avec du dodécyle sulfate de sodium (SDS) a permis une réduction du norovirus murin (MNV-1) de 3 logs, tandis que l'acide peracétique a provoqué une réduction de 2,24 logs en 0,5 minute. Seul l'acide peracétique a permis une réduction de 3 log en 0,5 minute sur l'acier inoxydable à 80 ppm. L'acide peracétique a d'ailleurs été l'unique désinfectant testé capable d'inactiver 3 logs de MNV-1 à la surface des bleuets à une concentration de 80 ppm pendant 30 secondes. Malheureusement, aucun des désinfectants n'a été en mesure d'inactiver au moins 2 logs de VHA et de VHE, peu importe la concentration et temps de contact. Éventuellement, les résultats de ce projet de maîtrise permettront le développement de nouvelles alternatives efficaces pour permettre l'inactivation de virus entériques dans l'industrie alimentaire par la création de nouveaux composés chimiques efficaces. / For processors in the food industry, ensuring the safety of their products is a top priority. Every step of production, from handling ingredients to different methods, has the potential to cause foodborne illness. Enteric viruses, such as human norovirus and hepatitis A virus, are pathogens that can endanger the consumer. In order to minimize these risks, various methods of prescription, both physical and chemical, are employed. However, the structural properties of the different viral speces make it difficult to achieve broad-spectrum virucidal therapy. For this reason, this project focuses on the use of new chemical compounds based on peracids for viral inactivation. To achieve this objective, four disinfectants were tested at different concentrations (50, 80, 250, 500 and 1000 ppm) and contact time (0.5 1, 5, and 10 min) in liquid solution, on stainless steel and on berries (strawberries and blueberries). In liquid solution, perlevulinic acid with sodium dodecyl sulfate (SDS) provided a 3-log reduction of murine nororivus (MNV-1), while perlevulinic acid caused a 2.24-log reduction in 0.5 min. Only peracetic acid provided a 3 log reduction in 0.5 minutes on stainless steel at 80 ppm. Peracetic acid was the only disinfectant tested to inactivate 3 logs of MNV-1 on the surface of blueberries at a concentration of 80 ppm for 30 seconds. Unfortunately, none of the disinfectants were able to inactivate at least 2 logs of HAV and HEV, regardless of concentration and contact time. Eventually, the results of this master's project will allow the development of new effective alternatives to enable the inactivation of enteric viruses in the food industry through the creation of new effective chemical compounds.

Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’amélioration des connaissances sur la dégradation photocatalytique des bioaérosols bactériens. La photocatalyse est une technique d’épuration basée sur l’excitation d’un semi-conducteur par un rayonnement le plus généralement ultraviolet. Cette technologie permet, en théorie, de minéraliser pas à pas les polluants. Or, si les conditions optimales ne sont pas réunies, la minéralisation incomplète peut conduire à des sous-produits de dégradation de toxicité potentiellement préoccupante.L’objectif de ces travaux a donc été d’apporter des éléments de compréhension quant aux mécanismes de dégradation photocatalytique d’un bioaérosol bactérien modèle d’E.coli, où de nombreux phénomènes sont couplés. Ainsi, pour distinguer les différents processus mis en jeu, deux approches expérimentales ont été menées. La première, nommée approche « batch », a permis d’isoler la réaction photocatalytique, à proprement parler, en étudiant les étapes d’inactivation, de libération de sous-produits et de minéralisation progressive. La seconde, appelée approche « dynamique » a permis quant à elle la mise en place d’un dispositif expérimental adapté à la dégradation photocatalytique d’un bioaérosol d’E.coli. Les capacités de la photocatalyse à inactiver et minéraliser des espèces bactériennes ont pu être démontrées. Les paramètres clés d’une dégradation efficace ont été mis en évidence et ont permis de décrire les verrous indispensables à une industrialisation sûre du procédé / This study comes within the scope of improving knowledge concerning the photocatalytic degradation of bacterial bioaerosol. Photocatalysis is a purification technology generally based on the excitation of a semiconductor by an ultraviolet radiation. This technology can, in theoretical ways, mineralize pollutants step by step. However, if optimal conditions are not gathered, this mineralization is incomplete and can lead to the formation of potentially toxic by-products. The aim of this work was therefore a better understanding of the mechanisms of photocatalytic degradation of a bacterial bioaerosol of E.coli, where numerous phenomenon are linked. Thus, to distinguish the different processes, two experimental approaches were used. The first one, called “batch approach”, allowed to consider the photocatalytic reaction itself, by studying the steps of inactivation, by-products formation and progressive mineralization. The second one, named “dynamic approach”, consisted to design an experimental setup suited to the photocatalytic degradation of a bioaerosol of E.coli. The abilities of photocatalysis to inactivate and mineralize bacteria could be demonstrated. The key parameters of an efficient degradation were highlighted and allowed to underline the problems to solve before having a safe industrialization of the photocatalysis

In this study conducted at Food Science Australia (FSA) and Berlin University of Technology (BUT), the effects of pulsed electric field (PEF) treatment, a novel non-thermal processing technology on bovine milk microflora and native enzymes and on the rheological and textural properties of rennet-induced milk gels was investigated. The PEF treatments were conducted at field intensities of 25-37 kV cm-1 (up to 50 kV cm-1)and temperature range of 30°C to 75ºC. Native milk enzymes selected for the study included alkaline phosphatase, lipase, xanthine oxidase and plasminand microbiological study included determining Total Plate Count (TPC) and Pseudomonas and Enterobacteriaceae counts in skim milk. At 30ºC PEF treatment at maximum field intensity inactivated AlP by 42% while at 60oC inactivation was higher (67%). Under these treatment conditions less than1 log reduction in TPC and Pseudomonas count and 2.1 logs reduction in the Enterobacteriaceae count was achieved at 30oC while at 60ºC TPC dropped by 2.4 logs and Pseudomonas and Enterobacteriaceae counts were reduced by 5.9 and 2.1 logs, respectively to below the detection limit of 1 CFU mL-1. Combining PEF treatment with heat increased the inactivation level of all enzymes which showed an increasing trend with increasing field intensity and temperature. Treatment time (4.8, 9.6, 19.2, 28.8 and 38.4 µs) was controlled by either changing the pulse frequencies (100-400 Hz) or product flow rate (30-240 mL min-1) at a constant field intensity of 31 kV cm-1 and it was found that changing the flow rate was a more effective way of enzyme inactivation than changing the frequency due to longer exposure time of enzymes to heat and field intensity. The size of casein micelles and fat globules was not affected by PEF treatment while severe heating of milk at 97oC for 10 min decreased both micelle and fat globule sizes marginally. The coagulation time of rennet-induced gels made from PEF-treated (35 to 50 kV cm-1) milks (whole and skim) increased as the treatment intensity increased, but remained shorter than gels made from pasteurised milk. The PEF treatment of milk at various field intensities and temperatures adversely affected the G′, G′′ and firmness of gels, but the effects were less pronounced than in gels made from pasteurised milks. This study concludes that for successful application in milk processing the PEF treatment needs to be combined with mild heat treatment. This approach could achieve safer milk with less damage to milk functionality. However, the quest for a suitable quality assurance indicator enzyme will need more extensive studies.

The PEF treatments were conducted at field intensities of 25-37 kV cm-1 (up to 50 kV cm-1)and temperature range of 30°C to 75ºC. Native milk enzymes selected for the study included alkaline phosphatase, lipase, xanthine oxidase and plasminand microbiological study included determining Total Plate Count (TPC) and Pseudomonas and Enterobacteriaceae counts in skim milk. At 30ºC PEF treatment at maximum field intensity inactivated AlP by 42% while at 60oC inactivation was higher (67%). Under these treatment conditions less than1 log reduction in TPC and Pseudomonas count and 2.1 logs reduction in the Enterobacteriaceae count was achieved at 30oC while at 60ºC TPC dropped by 2.4 logs and Pseudomonas and Enterobacteriaceae counts were reduced by 5.9 and 2.1 logs, respectively to below the detection limit of 1 CFU mL-1. Combining PEF treatment with heat increased the inactivation level of all enzymes which showed an increasing trend with increasing field intensity and temperature. Treatment time (4.8, 9.6, 19.2, 28.8 and 38.4 µs) was controlled by either changing the pulse frequencies (100-400 Hz) or product flow rate (30-240 mL min-1) at a constant field intensity of 31 kV cm-1 and it was found that changing the flow rate was a more effective way of enzyme inactivation than changing the frequency due to longer exposure time of enzymes to heat and field intensity. The size of casein micelles and fat globules was not affected by PEF treatment while severe heating of milk at 97oC for 10 min decreased both micelle and fat globule sizes marginally. The coagulation time of rennet-induced gels made from PEF-treated (35 to 50 kV cm-1) milks (whole and skim) increased as the treatment intensity increased, but remained shorter than gels made from pasteurised milk. The PEF treatment of milk at various field intensities and temperatures adversely affected the G′, G′′ and firmness of gels, but the effects were less pronounced than in gels made from pasteurised milks. This study concludes that for successful application in milk processing the PEF treatment needs to be combined with mild heat treatment. This approach could achieve safer milk with less damage to milk functionality. However, the quest for a suitable quality assurance indicator enzyme will need more extensive studies.

Le développement des bactéries sporulées dans les aliments peut être responsable d’intoxication alimentaire ou d’altérations des produits. Trois leviers ont été identifiés pour prévenir le développement de ce microbiote : les conditions de sporulation, l’intensité du traitement appliqué pour inactiver les spores et les conditions d’incubation. Ce travail de thèse a pour objectif (i) de quantifier l’impact des conditions de sporulation, de traitement et d’incubation sur la capacité des spores à former des colonies, et (ii) de quantifier l’impact des conditions de sporulation, de traitement et d’incubation sur les cinétiques de germination et de reprise de croissance. Dans un premier temps, un modèle mathématique a été développé pour décrire et quantifier l’impact des conditions d’incubation sur la capacité des spores à former des colonies après un traitement thermique. Ce modèle intègre uniquement des paramètres physiologiques, les limites de croissance des souches étudiées. La germination et la reprise de croissance est un processus complexe au cours duquel les spores passent par plusieurs stades successifs : spores dormantes, spores germées et cellules végétatives. Afin de quantifier l’impact des conditions de sporulation, de traitement thermique et d’incubation sur chacun de ces stades, une méthode par cytométrie en flux a été développée. Elle a permis de suivre l’évolution de chaque stade au cours du temps et un modèle primaire a été proposé afin de décrire l’évolution de chacun de ces stades. A partir de ce modèle il a été possible de décrire l’impact des différentes conditions de sporulation, de traitement thermique et d’incubation sur cette évolution et un modèle secondaire a été développé pour quantifier l’impact de ces facteurs sur les cinétiques de germination et de reprise de croissance. Afin de corréler les différences de comportement avec la composition protéique des spores, une analyse protéomique a été réalisée sur des spores produites dans différentes conditions. Ces travaux permettent de mieux appréhender le comportement de germination et de reprise de croissance des spores bactériennes. De plus, les résultats apportés ainsi que les modèles mathématiques développés dans cette thèse pourront permettre de mieux contrôler le développement des bactéries sporulées en industrie agro-alimentaire, connaissant l’impact des conditions de stockage et de formulation des produits, comme la température et le pH, sur le comportement des spores. / The development of spore forming bacteria in foods can be responsible for food poisoning or food spoilage. Three levers allowing the development of this microbiota were identified: the conditions of sporulation, the conditions of heat treatment and the conditions of incubation. This PhD work objectives were (i) to quantify the impact of sporulation conditions, heat treatment intensity and recovery conditions of the ability of spores to form colonies, and (ii) to quantify the impact of sporulation conditions, heat treatment intensity and recovery conditions on germination and outgrowth kinetics. Firstly, a mathematical model was developed to describe and quantify the impact of recovery conditions on the spore ability to form colonies a heat treatment. This model integrated only physiological parameters, the growth limits. The germination and outgrowth is a complex process made of successive physiological stages the spores pass through: the dormant spores, the germinated spores and the vegetative cells. A flow cytometry method was developed in order to quantify the impact of sporulation conditions, the heat treatment intensity and the incubation conditions on each physiological stage. This method allowed monitoring the evolution of each stage over time and a primary model was proposed to describe these evolutions. Thanks to this model, the impact of sporulation conditions, the heat treatment intensity and the incubation conditions were quantified and a secondary model was developed to quantify the impact of these factors on germination and outgrowth kinetics. In order to correlate the differences of behavior with the proteome of spores, proteomic analysis were performed on spores produced in different conditions. This work allows a better comprehension of germination and outgrowth behavior. Moreover, the results and the mathematical models provided by this work can be applied in food industry to improve the control of spores forming bacteria development knowing the impact of storage conditions and the product formulation, like temperature and pH, on spore behavior.

Sodium ion (Na+) channels play an important role in excitable cells, as they are responsible for the initiation of action potentials. Understanding the electrical characteristics of sodium channels is essential in predicting their behavior under different physiological conditions. We investigated several Markov models for the human cardiac sodium channel (NaV1.5) to derive a minimal mathematical model that can describe the reported experimental data obtained using major voltage-clamp protocols. We obtained simulation results for current-voltage relationships, steady-state inactivation, the voltage dependence of normalized ion channel conductance; activation and deactivation, fast and slow inactivation and recovery from inactivation kinetics. Good agreement with the experimental data provides us with the mechanisms of the fast and slow inactivation of the human sodium channel and the coupling of its inactivation states to the closed and open states in the activation pathway.

Réutiliser les eaux usées en irrigation agricole aide à répondre aux besoins croissants en eau, réduit leur décharge dans les eaux conventionnelles et participe à la fertilisation des sols. Les eaux usées d'origine domestique contiennent des virus entériques de l'homme responsables d'épidémies transmises par voies hydrique et alimentaire. Leur transmission aérienne avec maladie à la clé a été mise en évidence dans d'autres contextes, mais il existe peu d’études sur le devenir de virus déposés à la surface du sol ou de végétaux. Aussi cette thèse de Doctorat avait-elle pour objectifs d'évaluer et décrire (i) l'aérosolisation des virus préalablement apportés au sol par irrigation avec des eaux usées et (ii) leur inactivation dans l'atmosphère.Pour répondre à ces objectifs, des suivis expérimentaux ont été réalisés en conditions semi-contrôlées pour l'aérosolisation (virus déposés in situ sur des placettes de sol couvertes par des tunnels) et en conditions contrôlées pour l'inactivation (virus en réacteur atmosphérique de laboratoire). La souche MC0 du mengovirus murin a été utilisée pour l'ensemble des expérimentations. Elle a été multipliée sur des cellules BGM. La teneur en ARN viral a été suivie par RT-qPCR et, pour l'étude de l'inactivation, les virus infectieux ont été simultanément dénombrés par comptage de plages de lyse sur cellules BGM. Ces suivis ont été couplés au suivi des conditions environnementales (rayonnement global, température, humidité relative de l'air, teneur en O3, auxquels s'ajoutent l'humidité et la température de surface du sol pour l'étude de l'aérosolisation). Ces travaux ont nécessité de concevoir un nouveau réacteur atmosphérique, d'évaluer les performances de biocollecteurs (Impingers et filtres), et d’améliorer le dénombrement des virus infectieux.Un modèle a été proposé pour décrire l'aérosolisation d'un ou plusieurs pools de virus aérosolisables, chacun étant caractérisé par sa taille et un coefficient cinétique d'aérosolisation. Nous l'avons utilisé pour générer des expériences numériques reproduisant la variabilité des mesures réelles, et pour ajuster à ces expériences numériques des simulations portant soit sur l'aérosolisation cumulée soit sur l'aérosolisation « instantanée ». Les ajustements sur l'aérosolisation instantanée donnent des estimations plus précises du coefficient cinétique d'aérosolisation ; il n'en va pas forcément de même pour l'estimation de la quantité de virus aérosolisables. Un modèle de dépendance du coefficient d'inactivation à l'humidité relative de l'air a été proposé.Eu égard à l'aérosolisation des virus à partir du sol, les Impingers donnent des aérosolisations estimées plus élevées que les membranes en raison de différences de piégeage et/ou d'extraction. Toutefois, ils ne piègeraient qu'environ 77 % des virus et relargueraient des virus piégés avec un coefficient de réaérosolisation de 0.11. Ces imperfections aboutissent à des estimations des quantités de virus aérosolisés environ 2 fois moins élevées qu'en réalité ; à l'inverse, elles n'affectent pas les estimations des coefficients cinétiques d'aérosolisation. Sans tenir compte de ce biais, entre 1 et 10% des virus apportés ont été aérosolisés. À notre connaissance, c'est la première mise en évidence d'un tel phénomène. On distingue un pool de virus aérosolisés quasi-instantanément (environ 1/3 des virus aérosolisés) d'un pool de virus aérosolisés de manière cinétique. Pour ce dernier pool, la constante cinétique d'aérosolisation varie entre 0.007 et 0.21 h-1 : 90 % des virus du pool cinétique sont aérosolisés au bout de respectivement 13 j et 11 h dans nos conditions. La taille du pool cinétique est bien prédite à partir de la vitesse du vent, de la température de surface du sol et de la nature de l'eau d'irrigation. / Wastewater reuse for agricultural irrigation allows coping increasing water requirements, reduces wastewater discharge in conventional water bodies, and contributes to soil fertilization. Wastewaters of domestic origin are contaminated with human enteric viruses responsible for waterborne and foodborne outbreaks. Air transmission of viruses that leads to diseases has been noted in other contexts, but nothing is known about the fate of viruses brought at the surface of the soil. The aims of this PhD thesis were to assess and describe the aerosolization of viruses previously brought to the soil surface by wastewater irrigation, and their inactivation in the atmosphere.To fulfil these objectives, experiences were performed in semi-controlled conditions for aerosolization (viruses brought in situ on soil small plots covered by wind tunnels) and in controlled conditions for inactivation (viruses in laboratory atmospheric reactor). The MC0 murine mengovirus strain was used for all these experiences. It was propagated on BGM cells. The viral RNA content was monitored by RT-qPCR; for inactivation studies, infectious viruses were simultaneously enumerated by plaque assay on BGM cells. Variations in the total or infectious virus numbers were analyzed with regard to variations in global radiation, air temperature and relative humidity, O3 concentration, as well as soil surface moisture and temperature. This work required to design a new laboratory atmospheric reactor, to assess the performance of air biocollectors (impingers and membranes), and to optimize method for infectious virus enumeration.A model has been proposed to describe the aerosolization of one or some pools of viruses, each of these pools being characterized by its size and a kinetic coefficient of aerosolization. We used it to generate numerical experiences having the same variability as actual measurements, and to fit simulations of either cumulative or "instantaneous" aerosolized virus quantities to these numerical experiences. Fitting simulations to "instantaneous" aerosolized virus quantities leads to more precise estimates of the kinetic coefficient of aerosolization; it didn't lead to better estimates of the total amount of viruses that could be aerosolized. A relationship between the kinetic coefficient of virus inactivation and air relative moisture has also been proposed.Dealing with virus aerosolization from the soil, the amount of aerosolized viruses estimated from impinger data were higher than those estimated from membrane data, because of differences in trapping and/or latter extraction. Impingers would have trapped about 77% of air virus and virus re-aerosolization from Impingers would have concerned about 11% of the trapped viruses every hour. These limits would have resulted in estimates of the total amount of viruses that could be aerosolized about 2 times lower than in reality; conversely, they do not affect the estimates of the kinetic coefficient of aerosolization. Regardless of this bias, between 1 and 10% of viruses supplied to the soil were aerosolized. To our knowledge, this is the first evidence of such a phenomenon. We distinguish a pool of viruses that could be aerosolized nearly instantaneously (about 1/3 of aerosolized viruses) from a pool of viruses that would be aerosolized kinetically. For this last pool, the kinetic aerosolization coefficient varied between 0.007 and 0.21 h-1: 90% of the viruses belonging to the kinetic pool would be aerosolized after 13 days or 11 hours, respectively. The total amount of viruses belonging to the kinetic pool is correctly predicted by a model accounting simultaneously for the wind, the soil surface temperature and the type of irrigation water.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23083号 / 医博第4710号 / 新制||医||1049(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 中島 貴子, 教授 近藤 玄, 教授 小杉 眞司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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