As coberturas de hidroxiapatita (HAp) são utilizadas para aumentar a osteointegração em implantes de titânio (Ti), devido à sua capacidade de promover a biomineralização para corrigir defeitos esqueléticos e craniofaciais. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a influência dos revestimentos sobre culturas primárias de osteoblastos. Na primeira fase de estudos, desenvolvemos uma nova abordagem de revestimento baseada em filmes Langmuir-Blodgett (LB) de dihexadecilfosfato (DHP) e ácido octadecilfosfônico (OPA) depositados em discos Ti, e crescimento subsequente de cristais de HAp. Analisamos a viabilidade dos osteoblastos, a atividade da fosfatase alcalina (ALP) e a formação da matriz mineralizada por métodos colorimétricos e a morfologia das culturas por microscopia eletrônica de varredura e microscopia confocal. Os resultados revelaram que o revestimento DHP/HAp aumentou a viabilidade dos osteoblastos até 150% em comparação com o controle em todos os dias testados. O revestimento OPA/HAp promoveu a maior viabilidade ao 14 dias (190%). A atividade de ALP foi aumentada apenas pelo revestimento de DHP/HAp ao 14º dia em comparação com o controle e Ti limpo. A microscopia eletrônica de varredura e as microfotografias confocais revelaram diferenças morfológicas entre os osteoblastos cultivados em ambos os revestimentos, aumentando o seu número e o espalhamento. O revestimento de DHP/HAp aumentou a produção de nódulos biomineralizados. O ensaio de biomineralização pela técnica do Vermelho de Alizarina mostrou que o revestimento de OPA/HAp possuía uma concentração de cálcio (Ca2+) 1,88 vezes superior à cobertura de DHP/HAp. Uma vez que a literatura relata que o Ca2+ pode estimular ou inibir a atividade da ALP e, consequentemente, o processo de biomineralização, as diferenças no comportamento desses dois revestimentos podem estar relacionadas às diferenças de concentração de superfície de Ca2+. O bom desempenho do revestimento de DHP/HAp pode estar relacionado às características da composição química, adicionada à técnica de deposição LB. Na segunda fase da pesquisa, as monocamadas de Langmuir de DHP e dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC) foram testadas e utilizadas para incorporar o paratormônio 1-34 (PTH 1-34) (DHP/Ca+PTH e DPPC/Ca+PTH, respectivamente). Também foram testadas as ações dos revestimentos DHP/HAp com PTH em solução (DHP/HAp+PTH S) e gotejado (DHP/HAp+PTH G) em culturas de osteoblastos. Um potencial zeta negativo em pH 7,4 foi encontrado (-14,9 mV) para o PTH 1-34. A isoterma de DPPC mostrou um aumento da área mínima ocupada por molécula lipídica após a injeção de PTH na subfase de água (50 ?L de solução 0,5 mg/mL) em 10,97 Å2, o que pode ser devido à inserção de PTH neste filme. A área mínima de DHP foi alterada em 2,3 Å2, o que não é estatisticamente significativo. A análise de QCM mostrou um depósito de 72,5 ng de PTH em filme de DPPC e 29,3 ng de PTH em filme de DHP para cada 25 ?g de PTH injetado na cuba de Langmuir. A viabilidade celular e a formação da matriz mineralizada de culturas de osteoblastos crescidas em DHP/Ca+PTH e revestimentos DPPC/Ca+PTH diminuíram quando comparadas com Ti limpo. Os revestimentos DHP/HAp+PTH S e DHP/HAp+PTH G mostraram ser tão eficientes quanto o Ti DHP/HAp para estimular o processo de biomineralização. Mas a cobertura de DHP/HAp+PTH G aumentou a viabilidade dos osteoblastos e a formação de matriz mineralizada quando comparada com Ti DHP/HAp. Esta é uma cobertura inovadora que abre precedentes para o uso da técnica de gotejamento em HAp para outros hormônios e drogas que agem sobre o tecido ósseo. / Due to their ability to promote biomineralization, Hydroxyapatite (HAp) coatings are used to increase the osteointegration in titanium (Ti) implants, in order to correct skeletal and craniofacial defects. The objective of the research was to evaluate the influence of the coatings on osteoblasts primary cultures. In the first phase of the research we developed a new coating approach based on Langmuir-Blodgett (LB) films of dihexadecyl phosphate (DHP) and octadecylphosphonic acid (OPA) deposited on Ti discs and subsequent growth of HAp crystals. We analyzed the osteoblast viability, alkaline phosphatase (ALP) activity and mineralized matrix formation by colorimetric methods, and the morphology of the cultures by scanning electron microscopy and confocal micrographies. The results revealed that the DHP/HAp coating increased osteoblast viability up to 150% compared to the control at all days tested. The OPA/HAp coating promoted the highest viability on the 14th day (190%). The ALP activity was enhanced only by the DHP/HAp coating on the 14th day compared to control, and clean Ti. To explore the morphology of the cells, the scanning electron microscopy and confocal micrographies were obtained, and revealed morphological differences between osteoblasts grown on both coated Ti compared to clean Ti. Both coatings increased the number and spreading of osteoblasts, while the DHP/HAp coating enhanced the production of biomineralized nodules. The Alizarin Red assay showed that OPA/HAp coating has 1.88 times higher calcium (Ca2+) concentration than DHP/HAp. The same test confirmed the increase of mineralization only by DHP/HAp coating compared to clean Ti. Since literature reports that Ca2+ can stimulate or inhibit the ALP activity and consequently, the biomineralization process, the differences on the behavior of these two coatings could be related to the Ca2+ surface concentration differences. The good performance of the DHP/HAp coating can be explained due to the characteristics of the chemical composition, added to the LB deposition technique. In the second phase of the research, Langmuir monolayers of DHP and dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) was tested and used to incorporate 1-34 parathyroid hormone (PTH 1-34) (DHP/Ca+PTH, and DPPC/Ca+PTH, respectively). DHP/HAp coatings with PTH in solution (DHP/HAp+PTH S), and dropped (DHP/HAp+PTH G) also were tested on osteoblasts cultures. A negative zeta-potential at pH 7.4 was found (-14.9 mV) to PTH 1-34. The Langmuir isotherm of DPPC showed an increase of the minimum area occupied per lipid molecule after the PTH injection into the water subphase (50 ?L of 0.5 mg/mL solution) by 10.97 Å2, which could be due to the insertion of PTH in this film. The DHP minimum area changed by 2.3 Å2, which is not statistically significant. The QCM analysis showed the deposit of 72.5 ng of PTH on DPPC film, and 29.3 ng of PTH on DHP film for each 25 ?g of PTH injected into the Langmuir trough. The cell viability and matrix mineralization of osteoblasts cultures grown on DHP/Ca+PTH, and DPPC/Ca+PTH coatings decreased when compared to clean Ti. DHP/HAp+PTH S and DHP/HAp+PTH G coatings proved to be as efficient as Ti DHP/HAp to stimulate the biomineralization process. But DHP/HAp+PTH G increased the osteoblast viabilitiy and formation of mineralized matrix when compared to Ti DHP/HAp. This is an innovative coating that sets the precedent for the use of the drip technique on HAp for other hormones and drugs that act on bone tissue.

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Oceanografia Biológica, Instituto de Oceanografia, 2006. / Submitted by Cristiane Gomides (cristiane_gomides@hotmail.com) on 2013-10-17T13:43:14Z No. of bitstreams: 1 UBIRATAN.pdf: 576103 bytes, checksum: 0fac81f9a3f04dd09ac3273975e85872 (MD5) / Approved for entry into archive by Sabrina Andrade (sabrinabeatriz@ibest.com.br) on 2013-10-17T16:35:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 UBIRATAN.pdf: 576103 bytes, checksum: 0fac81f9a3f04dd09ac3273975e85872 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-10-17T16:35:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 UBIRATAN.pdf: 576103 bytes, checksum: 0fac81f9a3f04dd09ac3273975e85872 (MD5) Previous issue date: 2006 / Atividades de cultivos de camarão tendem a aumentar a taxa de sedimentação de matéria orgânica nos corpos hídricos receptores de seus efluentes, pela excessiva produção de produtos de excreção e sobras de ração. Dependendo das condições ambientais, o sistema pode não apresentar condições de autodepuração, gerando um grande acúmulo de nutrientes ao longo da camada sedimentar e intensificação do metabolismo bêntico, levando muitas vezes o ambiente a um processo de eutrofização e possível situação de anoxia. No presente estudo, utilizaram-se incubações in situ com câmaras bentônicas transparentes e opacas para avaliar o metabolismo bêntico em áreas de cultivo de camarão no estuário (cercados e viveiros). Nos cercados, ficou evidente que há uma clara interferência do cultivo nos processos de regeneração bêntica de nutrientes, incrementando os fluxos de nitrogênio (na forma de amônio) e fósforo (fosfato). O fluxo médio registrado nas câmaras opacas, ao final do período de cultivo, foi 52,8 mg.L-1 de amônio (N-NH 4+) e 5,41 mg.L-1 de fosfato (P-PO4 3-). Na fazenda de cultivo em viveiros, os fluxos de nutrientes e o consumo de oxigênio pelo sedimento foram geralmente mais elevados do que no cercado. Entretanto, o cultivo da fazenda possui escala comercial, ao passo que o cercado é experimental (pesquisa). Em função disto, próximo à despesca os valores de N-amônio do efluente chegaram a ser três ordens de grandeza superior aos do estuário. Mesmo assim, não foram desrespeitados os padrões de lançamento de efluentes estabelecidos pela legislação ambiental vigente. Embora a interferência desta atividade tenha se mostrado de abrangência local e temporária (apenas 4 a 5 meses do ano), é importante salientar que o Consumo de Oxigênio pelo Sedimento e o aporte de nutrientes oriundo da regeneração ganham maior importância em locais rasos e de circulação restrita, como é o caso das enseadas. É fundamental portanto que se façam estudos de zoneamento ambiental e de capacidade de suporte (capacidade de assimilação), determinando áreas de preferência para a expansão da atividade, quantificando também o número máximo de unidades suportados pelo meio, a fim de evitar ou minimizar os potenciais impactos ambientais negativos. / Shrimp farms activities tend to increase the organic matter sedimentation rate, by extreme inputs of excreta products and shrimp food (commercial shrimp diet) into the environment. In certain environmental conditions, the auto depuration system can be surpassed, generating a great production of nutrients at the sedimentary layer, as results of benthic metabolism intensification and, consequently the system can be induced to a eutrofication processes and anoxia. In the present study, in situ incubations with transparent and opaque chambers had been used to evaluate the benthic metabolism in shrimp farm areas in the Patos Lagoon estuary (pen enclosures and ponds). In the pen enclosures, it was evident that it has a clear interference of the culture in the processes of benthic regeneration of nutrients, resulting in increasing of phosphate and nitrogen fluxes (in the ammonium specie). The registered average flux in the opaque chamber, at the end of the period of culture, was 52,8 mg.L-1 of N-ammonium and 5,41 mg.L-1 of Pphosphate. In the pond shrimp farm, the fluxes of nutrients and the consumption of oxygen by the sediment were generally higher than the pen enclosures. However, the culture of ponds farm has a commercial scale, compared to the pen enclosures that is experimental (scientific research). In function of this, close to the shrimp harvest period the values of N-ammonium in the effluent had been 3 orders of magnitude higher than the pen enclosure. Besides that, the effluent values registered didn’t disrespect the values established by Brazilian environmental legislation. Even considering that this activity have a local and temporary distribution (only 4 to 5 months of the year), it is important to call attention to the sediment oxygen consumption and the input of nutrients deriving from the regeneration of organic matter which it’s enhanced in shallow waters and restricted circulation areas (as small bays), locations where shrimp culture is developed in the Patos Lagoon estuary. It’s important to study the environmental zoning and support capacity (assimilation capacity), to determine areas for expansion of the activity, also quantifying the maximum number of units supported by the environment, in order to prevent or to minimize the potential negative environmental impacts.

No presente estudo perseguimos os seguintes objetivos: a) caracterizar o grau de degradação física e química de solos usados em cultivo agrícola por várias décadas, originalmente cobertos por Mata Atlântica (Floresta Estacional Semidecidual) em Botucatu, SP; b) avaliar as alterações biológicas destes solos ao longo de 16 meses pós-reflorestamento com diferentes modelos de associação de espécies da Mata Atlântica. As áreas experimentais estavam localizadas em duas propriedades (Fazenda Lageado e Edgardia) da Faculdade de Ciências Agronômicas (FCA/UNESP) em Botucatu-SP. O clima da região é do tipo tropical com inverno seco (Cwa, classif. de Köppen). Os solos das áreas experimentais são os seguintes: um Nitossolo Vermelho (NV) de textura argilosa; um Argissolo Vermelho-Amarelo (AVA) álico, de textura areia-franca; e um Latossolo Vermelho-Amarelo (LVA) álico, de textura arenosa. Seis tratamentos (delineamento em blocos casualizados, com três repetições) foram usados: Testemunha; Semeadura Direta; Taungya; Consorciação; Restauração e, por fim, Fragmentos Florestais. Os atributos físicos (textura, densidade e porosidade) foram avaliados nas camadas de 0-10, 10-20 e 20-40cm, os atributos químicos (pH, MO, P, S, K, Ca, Mg, H, Al, CTC, B, Cu, Fe, Mn e Zn) nas camadas de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-40cm e os atributos biológicos (C da biomassa microbiana, liberação de CO2 e mineralização de N) nas camadas de 0-5 e 5-20cm. No NV, o teor de argila no solo degradado foi 57% maior do que o obtido no solo sob o Fragmento Florestal (camada 0-10cm), no AVA, 33% maior e, no LVA, 77% menor. Este efeito, no NV e AVA, foi atribuído à remoção de camadas superiores do solo, mais arenosas, pela erosão e exposição das camadas inferiores mais argilosas. No LVA, o menor teor de argila e silte no solo degradado foiatribuído à perda destas frações por eluviação ou em suspensão na enxurrada. O pH, teor de MO, de P e de Ca nos solos NV e LVA foram bem superiores nos Fragmentos Florestais relativamente aos obtidos nas áreas com solos degradados. Diferenças menos acentuadas foram observadas no AVA, como também detectadas para a composição textural, indicando que este solo está menos degradado que os demais. A CTC dos solos mostrou-se altamente correlacionada com os teores de argila e de MO. Isto destaca a importância da preservação da composição granulométrica e elevação dos teores de MO com o intuito de restaurar importantes propriedades físico-químicas do solo, como a CTC. Em áreas com cobertura florestal (Fragmentos Florestais do NV, AVA e LVA), o C da biomassa microbiana apresenta maiores valores na camada superficial e no verão. Fato atribuído a condições mais favoráveis (MO, pH, umidade, temperatura, etc) à manutenção da vida microbiana no solo. O C da biomassa microbiana e, em menor escala, a liberação de CO2 apresentaram-se como bons indicadores das alterações ocorridas após o reflorestamento com as diferentes associações de espécies. No LVA, como o solo desta área se apresenta mais degradado, em relação ao NV e ao AVA, a alta correlação e relação C microbiano/C orgânico indica que a biomassa microbiana é um importante compartimento de reserva do C orgânico do solo. Quanto aos atributos biológicos, as diferenças entre os Fragmentos Florestais e os demais tratamentos continuam a existir nas três áreas e camadas, devendo ser gradativo o retorno desses atributos à condição pré-existente; ademais, o tempo de retorno sofrerá influência das condições edafoclimáticas da área e da associação de espécies presentes. / This study seeks to: a) characterize the degree of physical and chemical degradation of the soils used in agricultural cultivation for several decades, originally covered by the Atlantic Forest (Seasonal Semideciduous Forest) in Botucatu, SP; b) evaluate the biological changes of these soils along a 16-month post-reforestation with different models of species association of the Atlantic Forest. The experimental areas were located in two properties (Fazenda Lageado and Edgardia) of the Agronomic Sciences College (FCA/UNESP) in Botucatu-SP. The climate in that region is the tropical type with dry winter (Cwa, Köppen class.). The soils of the experimental areas are: clayey Red Nitosol (NV), loamy alic Red-Yellow Argisol (AVA), and sandy alic Red-Yellow Latosol (LVA). Six treatments (randomized block design with three replications) were used: Test; Direct Seeding; Taungya; Consortium; Restoration and finally Forestal Fragments. The physical attributes (texture, density and porosity) were evaluated in layers of 0-10, 10-20 and 20-40cm; the chemical attributes (pH, MO, P, S, K, Ca, Mg, H, Al, CTC, B, Cu, Fe, Mn and Zn) in layers of 0-5, 5-10, 10-20 and 20-40cm and the biological attributes (Microbial biomass C, CO2 release and N mineralization) in layers of 0-5 and 5-20cm. The clay content in the degraded soil in NV was 57% higher than that obtained in soil under Forest Fragment (0-10cm layer), 33% higher in AVA, and 77% lower in LVA. This effect in NV and AVA was accredited to the removal of the soil top layers, which are sandier due to the erosion and exposition of the lower layers that are more clayey. In LVA the lowest clay and silt content in the degraded soil was accredited to the loss of these fractions by eluviation or flood suspension. The pH, MO, P and Ca contents in NV and LVA soils were much higher in Forestal iv Fragments regarding those reached in degraded soil areas. The less marking differences were observed in AVA and also detected for the textural composition, thus indicating that this soil is less degraded than the other ones. The CTC of the soils was highly correlated with the clay and MO contents. That highlights the importance of preserving the granulometric composition and elevation of the MO contents in order to restore important physical-chemical soil properties, such as the CTC. In primary forest areas (NV, AVA and LVA Forestal Fragments), the microbial biomass C presents higher values at the top layer and in the summer, a fact accredited to more favorable conditions (MO, pH, moisture, temperature, etc) for the maintenance of the microbial life in the soil. The microbial biomass C and, in a lesser scale, the CO2 release were good indicators of the changes occurred after the reforestation with the different species associations. In the LVA, since the soil of this area is more degraded in relationship to NV and AVA, the high correlation and microbial C/organic C relationship indicate that the microbial biomass is an important reserve compartment of the soil organic C. As to the biological attributes, the differences between the Forestal Fragments and the remaining treatments still exist in the three areas and layers, and the return to the pre-existing attributes is likely to be gradual; moreover, the time of return should undergo influences of the pedoclimatic conditions of the area and of the association of the present species.

A engenharia de tecido pulpar tem como objetivo substituir a polpa dentária inflamada ou necrosada por um tecido saudável e funcional, capaz de formar nova dentina para reparar a estrutura dentária perdida. Assim, os objetivos deste trabalho foram: avaliar a habilidade de diferenciação de célulastronco de dentes decíduos exfoliados humanos (SHED) em odontoblastos funcionais, demonstrando a formação de tecido mineralizado in vivo; e estudar o efeito de VEGF em SHED com relação à estimulação de vias de sinalização celular (STAT3, AKT e ERK), proliferação, migração, formação de estruturas tubulares e diferenciação em células endoteliais. O início do processo de mineralização de SHED tratadas com dexametasona, ácido ascórbico \'beta\' - glicerofosfato pôde ser detectado por meio da produção da enzima fosfatase alcalina a partir da segunda semana de cultura, mas a expressão de RNAm para DSPP só foi observada após 28 dias de indução. Utilizando-se o modelo de fatias de dentes e matrizes condutivas implantadas no dorso de camundongos imunodeprimidos, demonstrou-se a diferenciação de SHED em células semelhantes a odontoblastos, as quais tiveram imunomarcação positiva com o anticorpo DMP-1. A deposição de dentina, seguindo um ritmo centrípeto de crescimento, numa taxa de 14,1 µm por dia também foi demonstrada por meio da marcação com tetraciclina. O tratamento das SHED com VEGF estimulou a fosforilação de ERK e AKT e a diminuiu a fosforilação de STAT3 em um período de uma hora, provavelmente por meio de sua ligação com os receptores VEGFR-1 e NP-1 presentes nestas células. Além disso, VEGF intensificou a organização das SHED em estruturas tubulares, havendo diferença estatisticamente significativa entre os grupos tratado e não tratado a partir do 5o dia de tratamento. Entretanto, VEGF não estimulou a proliferação nem a migração destas células. Os resultados de RT-PCR mostraram que SHED cultivadas em fatias de dentes e matrizes condutivas expressaram VEGFR-2 já após o primeiro dia de estímulo com VEGF. Ademais, os quatro marcadores de células endoteliais (VEGFR-1, VEGFR-2, CD31 e Caderina-VE) foram observados após 21 dias sob estímulo de VEGF, resultado ainda mais evidente aos 28 dias. In vivo, observou-se que SHED transfectadas com o gene LacZ foram capazes de formar estruturas semelhantes a vasos sangüíneos quando implantadas em camundongos, mas a presença de sangue no seu interior não pôde ser observada após 21 dias de implante. Portanto, SHED podem ser estimuladas a se diferenciar em odontoblastos funcionais, capazes de produzir estrutura mineralizada semelhante à dentina. Ademais, VEGF interfere nas vias de sinalização STAT3, ERK e AKT e estimula a formação de estruturas tubulares e a diferenciação de SHED em células endoteliais, mas não a proliferação e migração de SHED. Acreditamos que tecnologia igual ou semelhante à empregada neste estudo poderá eventualmente fornecer ferramentas clínicas para tratamentos endodônticos que visem à regeneração de um tecido pulpar completo e formação de tecido dentinário num futuro não muito distante. / Dental pulp tissue engineering aims to replace the inflamed or necrotic pulp by a healthy and functionally competent tissue able to form new dentin in order to repair lost structure. The purposes of this work were: to evaluate the differentiation ability of stem cells from human exfoliated deciduous teeth (SHED) into functional odontoblasts, showing the formation of mineralized tissue in vivo; and to study the effect of VEGF on SHED with regards to the stimulation of cell signaling pathways (STAT3, AKT and ERK), the proliferation, migration, capillary sprouting, and the differentiation into endothelial cells. The beginning of the mineralization process of SHED treated with dexamethasone, ascorbic acid and beta-glycerophosphate could be detected through the production of alkaline phosphatase after the second week of culture, but the expression of DSPP mRNA was only observed after 28 days of induction. Using the tooth slice and scaffold model implanted in the dorsum of immunocompromised mice, the differentiation of SHED into odontoblast-like cells, which were immunostained with DMP-1 antibody, was demonstrated. Dentin deposition following a centripetal rhythm, in a rate of 14.1 µm per day, was also shown through the tetracycline labeling. VEGF treatment of SHED stimulated the ERK and AKT phosphorilation, and decreased the phosphorilation of STAT3 over 1 hour period, presumably due to its binding to VEGFR-1 and NP-1 receptors in these cells. In addition, VEGF enhanced SHED organization into tubular structures, with statistically significant difference between the treated group and the non-treated one after the 5th day of treatment. However, VEGF did not stimulate proliferation and migration of these cells. RT-PCR results demonstrated that SHED seeded in the tooth slices and scaffolds expressed VEGFR-2 after the first day of VEGF stimulation. Moreover, the four endothelial cell markers (VEGFR-1, VEGFR-2, CD31 and VE-Cadherin) were observed after 21 days of VEGF stimulation, and this result was even clearer after 28 days. In vivo, SHED transduced with LacZ gene were able to give rise to blood vessel-like structures when implanted in immunocompromised mice, but the presence of blood flow was not observed after 21 days of implantation. Therefore, SHED can be stimulated to differentiate into functional odontoblasts, which in turn are able to produce mineralized structure resembling dentin. Furthermore, VEGF interferes with the STAT3, ERK and AKT signaling pathways, and stimulates the formation of tubular structures and the differentiation of SHED into endothelial cells, but does not stimulate SHEDs proliferation and migration. We believe that the same technology employed in this study or a similar one can eventually provide clinical tools for the endodontic treatments aiming at regenerating a complete pulp tissue and forming a dentin tissue in a near future.

En conditions saines, le tissu osseux est constamment remodelé pour s’adapter aux différentes contraintes mécaniques, réparer les microfissures et maintenir l’homéostasie minérale. Ce remodelage est effectué par les ostéoblastes et les ostéoclastes, responsables de la formation et de la résorption du tissu osseux. Leurs activités sont orchestrées par les ostéocytes, cellules osseuses les plus abondantes, via la mechanotransduction. Dans cette thèse, nous avons utilisé la microtomographie par rayonnement synchrotron afin d’étudier la morphologie du réseau lacuno-canaliculaire (LCN), ainsi que la distribution 3D de la densité massique des tissus osseux minéralisés, sur des sujets sains ou atteints d’ostéonécrose de la mâchoire suite à un traitement par bisphosphonates (BP). Les BP sont utilisés pour le traitement de l’ostéoporose et des métastases osseuses, limitant la résorption osseuse par les ostéoclastes. Nous avons supposé que les patients ainsi traités présentaient un volume de lacunes ostéocytaires plus grand, dû à la résorption du tissu péri-lacunaire par ostéolyse ostéocytaire. Le sujet affecté par un manque de minéraux induit par la réduction du remodelage ostéoclastique, maintiendrait ainsi son homéostasie minérale. Cette hypothèse n’a pas été confirmée, mais nous avons toutefois remarqué que les lacunes larges étaient plus abondantes dans la mâchoire que dans le tibia et le fémur. Cela s’expliquerait par l’accumulation préférentielle des BP dans la mâchoire, au taux de remodelage élevé. De plus, si ces BP sont déposés dans les lacunes ostéocytaires pendant le processus de minéralisation, des concentrations toxiques pourraient être atteintes en cas d’infection, conduisant alors à une diminution du pH, et à la dissolution des minéraux. Nous avons également utilisé la nanotomographie par rayonnement synchrotron avec reconstruction de phase pour analyser la morphologie du LCN et les propriétés du tissu avoisinant, sur mâchoires de sujets sains et traités par BP. Nous supposons qu’une minéralisation secondaire a lieu via la diffusion des minéraux à travers l’interface fluide-matrice, à la surface des lacunaire et des canalicules. Cela devrait conduire à une variation de la densité massique en fonction de la distance par rapport au bord des porosités, que nous avons effectivement observé. Ainsi, l’échange minéral entre le fluide extracellulaire et la matrice minéralisée s’effectue à la frontière des lacunes et des canalicules. Nos données suggèrent que la capacité d’échange de minéraux entre le réseau poreux et la matrice osseuse augmenterait d’un ordre de grandeur si la surface canaliculaire était prise en compte. Le modèle de diffusion résultant de nos études devrait contribuer à une meilleure compréhension puis optimisation du traitement. Toutefois, des études complémentaires sur les modifications des propriétés du tissu pendant la minéralisation secondaire et les fluctuations des concentrations du minéral dans le sang sont nécessaires. / Under healthy conditions, human bone undergoes permanent remodeling to adjust to mechanical demands, to repair micro-cracks and to maintain mineral homeostasis. This process of remodeling is performed by osteoblasts and osteoclasts: bone-forming and bone-resorbing cells. The activity of osteoclasts and osteoblasts is triggered by osteocytes, the most frequently occurring type of bone cell, via mechanosensation processes. Bisphosphonates (BP) prescribed during treatment for osteoporosis or bone metastasis inhibit osteoclast activity and thus decrease the bone turnover. In this work, the distribution and morphology of osteocyte lacunae of human cortical jaw bone was investigated in 3D, and a comparison between healthy and BP-treated donors was performed using synchrotron radiation (SR) µCT. In a second approach, we used SR nano-CT with phase contrast to investigate the morphology of the canalicular network and the bone tissue properties in the vicinity of the lacuna-canalicular network of human jaw bone, originating from both healthy subjects and patients treated with BPs. We hypothesized that secondary mineralization takes place via a diffusion process through the fluid-matrix interface at both the lacunar and the canalicular surfaces. This should result in mass density gradients with respect to the distance to the pore boundary. Such mass density gradients were indeed observed at both lacunar and canalicular interfaces. We concluded that mineral exchange between extracellular fluid and mineralized matrix occurs at all bone surfaces, including the canaliculi. Our data suggested that the capacity of the pore network to exchange mineral with the bone matrix would increase by one order of magnitude if the canalicular surface is taken into account. However, more studies should be performed, targeting not only the changes of tissue properties during secondary mineralization, but also during fluctuations of mineral concentration in periods of high mineral demand.

Ce sujet entre dans le cadre de l'étude d'un procédé d'oxydation avancé innovant dans le domaine de la dépollution des eaux, à savoir l'ionisation par faisceau d'électrons. Le radical hydroxyle (•OH) et l'électron hydraté (e−aq) sont les deux espèces majoritaires issues de l'ionisation de solutions aqueuses par un faisceau d'électrons d'intense énergie. Il a été démontré que la génération des radicaux supplémentaires tels que le radical sulfate (SO4•−) et le radical hydroxyle par les réactions radicalaires entre l'ion persulfate, le peroxyde d'hydrogène et l'électron hydraté respectivement, améliore l'efficacité de ce procédé pour la dégradation de polluants organiques en solution aqueuse. Dans le présent travail, la dégradation et la minéralisation de benzènesulfonate et naphthalènesulfonate de sodium, et d'acide gallique ont été obtenues par irradiation par faisceau d'électrons seul et couplé avec un oxydant (S2O8−−, H2O2). En absence d'oxydant une dose absorbée de 1,5 kGy a été suffisante pour l'élimination totale de ces composés. La présence d'oxydant permet généralement de réduire les doses d'irradiation nécessaires. Par ailleurs, l'augmentation de la concentration en oxydant ou de la dose appliquée a un effet bénéfique vis-à-vis de l'élimination du carbone organique. Cependant, le couplage S2O8−−/faisceau d'électrons est plus adapté que le couplage H2O2/faisceau d'électrons même en présence de constituants inorganiques. Les résultats obtenus soulignent l'importance du rôle du dioxygène dissous lors de l'étape de la minéralisation en vue de favoriser la formation des radicaux organiques (ROO•). Pour chaque une des molécules étudiées, des sous-produits d'oxydation... / This research belongs to the study of the ionization of aqueous solutions by electron beam (E.B.) as an advanced oxidation process for water treatment. The hydroxyl radical (•OH) and hydrated electron(eaq¯) are the two major active species produced from the ionization of aqueous solutions by high energy electron beam. It has been shown that the generation of additional radicals such as the sulphate radical (SO4•¯) and hydroxyl radical from the reaction of persulfate ion (S2O8¯) or hydrogen peroxide (H2O2) with the hydrated electron, improved the efficiency of this process towards the degradation and mineralization of organic pollutants in aquaeous solution. In the présent work, the degradation and mineralization of naphthalenesulfonate, benzenesulfonate and gallic acid were studied by electron beam irradiation alone and coupled with oxidants (S2O8¯, H2O2).In the absence of oxidant, an absorbed dose of 1,5 kGy leads to total elimnation of these pollutants. The presence of added oxidants usually reduces the radiation dose required. In addition, increasing oxidant concentration or applied dose had a beneficial effect towards the organic carbon removal. It was found that coupling E.B./S2O8¯ has more suitable than E.B./ H2O2 even in the presence of inorganic constituents. The results also highlighted the importance of dissolved oxygen in the system when mineralization is aimed. For each of the molecules studied, oxidation by-products resulting from hydroxylation and aromatic ring opening were identified.

Inhibition of nitrification of ammonia nitrogen (N) from pig slurry in soil after application can mitigate N losses by denitrification and leaching of nitrate (NO3-), with economic and environmental benefits. However, this strategy has not yet been evaluated by Brazilian research, which motivated the present work. The objective was to evaluate the efficiency of the product AGROTAIN Plus, which contains 81% of the inhibitor dicyandiamide (DCD), in slowing the nitrification of ammonium N applied to soil with pig slurry. For this, two incubations were performed under controlled humidity (80% cc) and temperature (25ºC), where nitrification was assessed by the accumulation of NO3 - in soil. In the first incubation conducted for 72 days, doses of 3.5, 7.0 and 14 kg ha-1 of AGROTAIN Plus were compared, applied to the soil at the time of the manure addition (29.4 m3 ha-1). The dicyandiamide (DCD) inhibited the nitrification of N ammonia from manure, and the size and duration of this inhibition was dependent on the dose of AGROTAIN Plus applied. At a dose of 14 kg ha-1 (11.3 kg DCD ha-1) nitrification was completely inhibited in the first 12 days. During the first month after the manure application, where nitrification was more intense, increasing the dose of AGROTAIN Plus in 1 kg ha-1 (0.81 kg DCD ha-1) reduced the N-NO3 - accumulation in 3,8 kg ha-1. In the second incubation, evaluated for 60 days, was studied the effect of these same three doses of AGROTAIN Plus on soil microbial activity. Besides that, was evaluated the effect of the 7.0 kg ha-1 dose of product in inhibiting nitrification of N ammonia from pig slurry (34 m3 ha-1) and the mineralization of pig slurry C and N. The effect of the nitrification inhibitor was similar to that observed in the first incubation, while the manure N mineralization and soil microbial activity were not affected by the AGROTAIN Plus addition. The findings suggest that dicianodiamida (DCD), by delaying the onset of N-NO3 - in soil after application of pig slurry, reduces the N losses and the polluting potential of slurry. / A inibição da nitrificação do nitrogênio (N) amoniacal dos dejetos de suínos, após sua aplicação no solo, poderá mitigar as perdas de N por desnitrificação e lixiviação de nitrato (NO3 -), com benefícios econômicos e ambientais. Todavia, essa estratégia ainda não foi avaliada pela pesquisa brasileira, o que motivou a realização do presente trabalho. O objetivo foi o de avaliar a eficiência do produto Agrotain Plus, que contém 81% do inibidor dicianodiamida (DCD), em retardar a nitrificação do N amoniacal aplicado ao solo com dejetos líquidos de suínos. Para isso, foram realizadas duas incubações sob condições controladas de umidade (80% cc) e de temperatura (25ºC), onde a nitrificação foi avaliada através do acúmulo de NO3 - no solo. Na primeira incubação, conduzida durante 72 dias, foram comparadas as doses de 3,5, 7,0 e 14 kg de Agrotain Plus ha-1, aplicadas ao solo no momento da adição dos dejetos (29,4 m3 ha-1). A dicianodiamida (DCD) inibiu a nitrificação do N amoniacal dos dejetos, sendo que a magnitude e a duração da inibição foram dependentes da dose de Agrotain Plus aplicada. Na dose de 14 kg ha-1 (11,3 kg de DCD ha-1) a nitrificação foi completamente inibida nos primeiros 12 dias. Durante o primeiro mês após a aplicação dos dejetos, onde a nitrificação foi mais intensa, o aumento na dose de Agrotain Plus em 1 kg ha-1 (0,81 kg de DCD ha-1) reduziu o acúmulo de N-NO3 - em 3,8 kg ha-1. Na segunda incubação foi avaliado, durante 60 dias, o efeito dessas mesmas três doses de Agrotain Plus sobre a atividade microbiana do solo. Além disso, avaliou-se o efeito da dose de 7,0 kg ha-1 do produto na inibição da nitrificação do N amoniacal dos dejetos (34 m3 ha-1) e na mineralização do C e do N dos mesmos. O efeito do inibidor de nitrificação foi semelhante ao observado na primeira incubação, enquanto a mineralização do N dos dejetos e a atividade microbiana do solo não foram afetadas pela adição do produto Agrotain Plus. Os resultados desse trabalho sugerem que a diacianodiamida (DCD), ao retardar o aparecimento de N-NO3 - no solo após a aplicação dos dejetos de suínos, reduz as perdas de N e o potencial poluidor dos dejetos.

Organic fertilizers promote improvements in soil properties and are important in providing balanced nutrients to plants. The officials parameters adopted by the Commission of Chemistry and Soil Physics in the States of Rio Grande do Sul Santa Catarina to calculate the amount of organic fertilizer are its mean composition and the efficiency index of nutrient release (EINR) to fulfill the demand of each system crops. This indicator is related mainly to the type of organic residual, but the other factors affecting the mineralization are not adequately addressed, such as climatic conditions and soil texture, among others. The expectation of this work is that these factors are especially relevant in regions with large variation of soil types and climatic conditions, such as the South of Brazil region. So, the factors cropping season and soil texture were studied under the application of two different organic sources (pig slurry and chicken litter) in the field and in laboratory experiments. The texture effect was analyzed in an incubation of three soils containing 238, 470 and 605 mg clay kg soil-1, which was evaluated during 112 days of evolution of mineral nitrogen (N-NH4+ + N-NO3-), the net mineralization and % mineralization of total N and organic added. The influence of growing season was tested under field conditions in two crop series starting with the potato (summer and winter), which evaluated the productivity and nutrient cycling in three crops per system. The results of incubation showed that soil type affects the N dynamics in the soil after the addition of organic fertilizers. Most clayey soils make slowly immobilization and nitrification of ammonium, independently of addition of the broiler litter or pig slurry, which reduces the N pollution potential. The net N mineralization was greater in sandy soil due to lower physical-chemical protection of colloids. Also were greater with the chickens litter due to the amount of total N added have been much higher compared to pig slurry. The results of N available to plants (%NAP) and net mineralization of nitrogen in the soil (%Nminnet) with the addition of organic fertilizers indicate that EINR is overestimated in relation to N effectively added to the soils, and can result in depletion of soil organic matter in the long term growing. Also concludes that, to sandy soils or when manure are rich in available N, that must be done a N fractionated application between plantation and cover fertilization. In field experiments, there would significant differences in the efficiency of release of N in cropping systems of "summer" and "winter". The immediate effect was equal in the summer period to all fertilization sources, but in the winter the mineral source was 10-20% more efficient, showing the effect of temperature and soil moisture in the availability of N in soils under organic fertilization. The residual effect of chickens litter in the second crops was lower than expected in comparison to the pig slurry and mineral fertilizer, since the efficiency index of N liberation would be 20% for chickens litter and zero for the slurry. However only in the third crop that litter exceeded the slurry in dry matter production of summer crop (maize) and winter (black oat). Finally, due very different climatic conditions in South of Brazil, the results indicate that it necessary more and integrated studies about the impact of crop date and soil type to refine the parameters of the recommendation of organic fertilizer, making it thus more sustainable. / Os adubos orgânicos promovem melhorias nas propriedades do solo e são importantes no fornecimento equilibrado de nutrientes às plantas. Os parâmetros oficiais adotados pela Comissão de Química e Física do Solo dos Estados do Rio Grande do Sul Santa Catarina para calcular a quantidade de adubo orgânico, são a sua composição média e o índice de eficiência de liberação dos nutrientes (IELN) frente à demanda de cada sistema de cultivos. Este último indicador está associado essencialmente ao tipo de resíduo, porém os demais fatores que afetam a mineralização não são devidamente considerados, como as condições climáticas e a textura do solo, entre outros. A expectativa do presente trabalho é de que esses fatores sejam especialmente relevantes em regiões de grande variação edafoclimática, como o Sul do Brasil. Assim, os fatores época de plantio e textura do solo foram estudados sob a aplicação de duas fontes orgânicas distintas (dejeto líquido suíno e cama de aves de corte), a campo e em laboratório. O efeito da textura foi discutido numa incubação de três solos contendo 238, 470 e 605 mg argila kg de solo-1, onde se determinou a evolução do N mineral (N-NH4+ + N-NO3-) durante 112 dias e se calculou a mineralização líquida e a % de mineralização do N total e orgânico adicionados. Já o efeito da época de cultivo foi testado a campo em duas sucessões iniciadas com cultura da batata (denominados de cultivos de verão e de inverno), onde se avaliou a produtividade e a ciclagem de nutrientes de três culturas por sistema. Os resultados da incubação mostraram que o tipo de solo afeta a dinâmica do N no solo após a adição de adubos orgânicos. Solos mais argilosos retardam a imobilização e a nitrificação do amônio, independente de se utilizar cama de aves de corte ou dejeto líquido de suínos, contribuindo para diminuir o potencial poluente do N. A mineralização líquida do N foi maior no solo arenoso devido à menor proteção físico-química da sua fração coloidal. Também foi maior com o uso da cama de aves de corte, em todos os solos, em função quantidade de N total adicionado ter sido bem maior em relação ao dejeto de suínos. Os resultados de N disponível às plantas (%NDP) e de mineralização líquida do N no solo (%NminL), com a adição dos adubos orgânicos, sinalizam que o IELN está superestimado em relação ao N que é efetivamente adicionado aos solos, podendo levar à depleção da matéria orgânica do solo a longo prazo. Também se infere que, para solos mais arenosos ou quando se dispõe de dejetos ricos em N disponível, faça-se a aplicação fracionada do N entre o plantio e em cobertura. Nos experimentos de campo, por sua vez, houve diferenças significativas na eficiência de liberação do N nos sistemas de cultivo de verão e de inverno . O efeito imediato foi igual no verão para as fontes cama de aves, dejeto suíno e adubo mineral, mas no cultivo de inverno a fonte mineral foi entre 10 a 20% mais eficiente, demonstrando o efeito da temperatura e da umidade na disponibilização de N nos solos sob adubação orgânica. O efeito residual da cama de aves no segundo cultivo foi inferior ao esperado na comparação com o dejeto suíno e adubo mineral, visto que o índice de eficiência de N seria de 20% para a cama e zero para o dejeto. Porém, foi só no terceiro cultivo que a cama superou o dejeto na produção de matéria seca no cultivo de verão (milho) e de inverno (aveia preta). Por fim, dada a grande diversidade edafoclimática no Sul do Brasil, os resultados apontam que se devem fazer mais estudos e de forma integrada sobre o impacto da época de plantio e tipo de solo para aperfeiçoar os parâmetros de recomendação da adubação orgânica, tornando-a assim mais sustentável.

La prise en compte du priming effect * (PE) dans les modèles biogéochimiques est essentielle afin de mieux prévoir les conséquences du changement global sur le cycle du C (C) dans les écosystèmes et les interactions avec le climat. Au cours de la dernière décennie, de nombreux travaux ont été réalisés afin de modéliser le PE. Cependant, quelques connaissances de base nécessaires à cette modélisation du PE manquent tels que la relation entre le taux de décomposition des matières organique du sol (MOS) et la biomasse des décomposeurs (MB). En outre, le PE n'a jamais été inséré dans un modèle sol-plante afin de déterminer son rôle dans les interactions plante-sol. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont 1) d’intégrer l'activité, de la biomasse et de la diversité des microorganismes du sol dans les modèles de dynamique du C et de l’azote (N) des écosystèmes afin de simuler le PE, et 2) de déterminer les conséquences de cette intégration pour le fonctionnement des écosystèmes et la réponse au changement global. Ces objectifs ont été atteints grâce à la combinaison de la diverses approches telle que la modélisation, l’expérimentation et les analyses statistiques. Dans une expérience de laboratoire, je montre que le taux de décomposition des MOS augmente 1) linéairement avec la MB et 2) avec un effet de saturation avec la teneur en MOS. La réponse linéaire de décomposition des MOS à la MB s'explique par la colonisation très limitée du sol et des réserves des MOS par les microorganismes. Cependant, la limitation de la décomposition par la teneur en MOS montre que la disponibilité locale des MOS peut être un facteur limitatif pour la minéralisation microbienne. La co-limitation observée de la décomposition des MOS est correctement modélisée avec l'équation de Michaelis-Menten. L'intégration de cette équation dans un modèle simple de dynamique des MOS permet d’expliquer comment les MOS s'accumulent souvent continuellement dans les sols non perturbés alors qu'elles stagnent dans les sols cultivés. Cette présente également le premier modèle d’écosystème paramétré incorporant le PE (SYMPHONY). Ce modèle génère des prévisions réalistes sur la production de fourrage, stockage de C dans le sol et lessivage de l'azote pour des prairies permanentes. SYMPHONY montre également que la persistance des plantes dans les écosystèmes dépend d'un réglage fin de la minéralisation microbienne de MOS au besoin en nutriments des plantes. Ce réglage est modélisé par SYMPHONY en considérant la destruction de MOS par le PE et les interactions entre deux groupes fonctionnels microbiens: les décomposeurs des MOS et les stockeurs de MOS. Enfin, conformément aux récentes observations, SYMPHONY explique comment l’augmentation du CO2 atmosphérique induit une modification des communautés microbiennes du sol conduisant à une intensification de la minéralisation microbienne et à une diminution du stock des MOS dans le sol. / Integration of the priming effect* (PE) in ecosystem models is crucial to better predict the consequences of global change on ecosystem carbon (C) dynamics and its feedbacks on climate. Over the last decade, many attempts have been made to model PE in soil. However, some basic knowledge to model the PE is lacking such as the relationship between decomposition rate of soil organic matter (SOM) and microbial biomass (MB). Moreover, the PE has never been inserted in a plant-soil model to analyze its role on plant-soil interactions. The main objectives of this thesis were to 1) integrate the activity, biomass and diversity of soil microorganisms in models of ecosystem C and nitrogen (N) dynamics in order to simulate the PE, and 2) determine the consequence of this integration for ecosystem functioning and response to global change. These objectives were achieved thanks to the combination of diverse approaches such as modeling, experimentation and statistical. In a lab experiment, I show that the rate of SOM decomposition increases 1) linearly with MB, and 2) with a saturating effect with SOM content. The linear response of SOM decomposition to MB is explained by the very limited microbial colonization of SOM reserves. However, the positive effect of SOM content on decomposition rate indicates that the local availability of SOM may be limiting for microbial mineralization. The observed co-limitation of SOM decomposition was accurately modeled with the Michaelis-Menten equation. Finally, incorporating this equation in a simple model of soil C dynamics explained how carbon often continuously accumulates in undisturbed soils whereas it reaches steady state in cultivated soils. Moreover, I present the first parameterized PE embedding plant-soil model (SYMPHONY) which provides realistic predictions on forage production, soil C storage and N leaching for a permanent grassland. SYMPHONY also shows that plant persistence depends on a fine adjustment of microbial mineralization of SOM to plant nutrient uptake. This fine adjustment was modeled by considering the destruction of SOM through PE and the interactions between two microbial functional groups: SOM-decomposers and SOM-builders. Moreover, consistent with recent observations, SYMPHONY explains how elevated CO2 induce modification of soil microbial communities leading to an intensification of SOM mineralization and a decrease in the soil C stock.

L’objectif de cette thèse concerne la quantification des flux benthos-pélagiques dans une lagune soumise à un régime climatique tropical rythmé de périodes humides et périodes sèches. La lagune de Terminos, située au sud du golfe du Mexique est le plus vaste écosystème laguno-estuarien du Mexique (2000 km2). Du fait de sa faible profondeur (3.5 m en moyenne), les processus benthiques sont sensés participer activement à l’ensemble du cycle biogéochimique de cet Ecosystème. Les mesures de flux benthiques ont eu lieu au cours de un réseau de 13 stations pendant une saison sèche (mars 2009 et 2010) et une saison humide (octobre 2009 et novembre 2010). Quatre stations ont fait l’objet de mesures plus fréquentes du 2008 au 2010. Des incubations ex-situ de carottes de sédiment prélevées ont permis de mesurer la variabilité spatio-temporelle des taux de respiration benthique (SOD) et des flux de sels nutritifs. Les SOD sont significativement différents entre les périodes sèches et humides (1327±161 et 2248±359 µmol m-2 h-1 respectivement). Les flux de silicates sont significativement plus importants pendant la saison des pluies (89.4±15.9 µmol m-2 h-1) que pendant la saison sèche (46.5±11.4 µmol m-2 h-1). Les flux de phosphates, faibles tout au long des périodes étudiées, n’ont pas montré de différence significative. Les flux d’azote dissous (DIN) sont de même intensité mais de sens opposé (2.9±18.8 µmol m-2 h-1 et 24.3±7.3 µmol m-2 h-1). Ces flux caractérisés par un fort signal saisonnier sont fortement corrélés avec les caractéristiques biogéochimiques des sédiments (Corg, N et chloropigments) et contribuent significativement au bilan du carbone et des éléments associés. / The goal of this study concerns the quantification of sediment-water fluxes in a tropical lagoon under climatic forcing regulated by successive dry and wet periods. Terminos lagoon on the South coast of Gulf of Mexico (Campeche sound) is a shallow (3.5 m) but vast estuarine system (2000 km2) where the sediments are supposed to contribute largely to the overall biogeochemical cycling. Benthic flux measurements were performed twice over a network of 13 stations during dry (March 2009 and 2010) and wet periods (October 2009 and November 2010). A selection of 4 stations from this network were visited more frequently between 2008 and 2010. Sediment Oxygen Demand (SOD) and nutrient fluxes were measured through ex-situ incubations of sediment cores sampled manually. SOD were significantly different between both dry and wet seasons (1327±161 and 2248±359 µmol m-2 h-1 respectively). Silicates fluxes were significantly more intense during the wet season (89.4±15.9 µmol m-2 h-1) than during the dry one (46.5±11.4 µmol m-2 h-1). Phosphate fluxes, low during all periods did not show a temporal trend. Finally DIN fluxes showed a net uptake during the wet season (2.9±18.8 µmol m-2 h-1) and conversely an efflux during the dry season (24.3±7.3 µmol m-2 h-1). These fluxes depicted a pronounced seasonal signal, showed a significant correlation to sediment characteristics (Corg, N and chloropigments) and finally contributed to the overall carbon and nutrient budget of the lagoon.