Caractérisation du cycle et des sources d'azote dans les lacs tempérés par l'utilisation d'isotopes stables

Nous avons étudié l’application de plusieurs mesures d’isotopes stables afin de caractériser les processus du cycle de l’azote et les sources d’azote dans les lacs tempérés à diverses échelles spatiales et temporelles. Les résultats d’une étude à travers 65 lacs sur un gradient trophique ont démontré que le ratio d’isotopes stables d’azote (δ15N) des sédiments de surface est un indicateur de l’importance relative des sources d’azote anthropique, mais que ce ratio peut être altéré par la diagenèse. La mesure du δ15N des sédiments demeure néanmoins un outil permettant de déterminer à long terme le changement des charges en azote anthropique aux écosystèmes lacustres et les causes de l’eutrophisation de ces systèmes. Nos résultats d’une étude sur la variation saisonnière de plusieurs isotopes stables dans trois lacs peu profonds situés sur un gradient trophique et ayant différents régimes de stratification ont démontré que cette approche est prometteuse dans les lacs mésotrophes et stratifiés. Dans ces systèmes, le δ15N de la matière organique particulaire (MOP) aurait le potentiel de déterminer les sources d’azote assimilées par le phytoplancton. Cependant les mesures d’isotopes stables du carbone (δ13C) et du ratio C:N indiquent que les apports de matières organiques du bassin versant peuvent altérer les relations observées. Nous avons également constaté une déviation de la relation 1:1 entre les isotopes stables d’azote et d’oxygène (δ18O) du nitrate (NO3-) indiquant son assimilation et sa nitrification simultanée. Cette application est particulièrement prometteuse puisque la nitrification est méconnue dans les lacs et peut exacerber les effets de l’eutrophisation.

Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Nutrition et état de santé : études paléochimique et paléopathologique de la population exhumée du cimetière protestant Saint-Matthew, ville de Québec, Canada (1771-1860)

Quatre-vingt-quinze squelettes humains issus des fouilles archéologiques du cimetière protestant Saint-Matthew (ville de Québec, 1771-1860) ont été étudiés en associant deux aspects de la paléonutrition : la paléochimie et la paléopathologie. Le but de cette recherche est d’explorer la relation entre nutrition et état de santé pour cette population préindustrielle. Des informations directes sur l’alimentation ont été recueillies par l’analyse des isotopes stables du carbone et de l’azote du collagène des os, et des informations indirectes ont été obtenues par une quantification de l’état de santé des individus. Les méthodes paléopathologiques utilisées sont celles de l’« indice de santé » (Steckel et al., 2002) pour la comparaison interpopulationnelle, puis des méthodes comprenant des degrés de sévérité plus précis afin d’étudier les variations intrapopulationnelles. L’analyse de ces données atteste d’un état de santé relativement mauvais par comparaison avec d’autres groupes nord-américains contemporains, malgré une alimentation similaire. Des différences alimentaires ont été observées en fonction des données paléodémographiques (âge, sexe), mettant notamment en évidence une variabilité temporelle dans la réalisation du processus de sevrage. De plus, un régime alimentaire moins riche en ressources C4 (maïs, sucre de canne) et en ressources animales (viande, poissons, produits laitiers) a été constaté pour les enfants entre 2 et 7 ans par rapport aux individus plus vieux. Enfin, une relation possible entre la sévérité de certaines pathologies (cribra orbitalia et périostite) et la consommation des ressources alimentaires en C4 et/ou marines et riches en protéines a été observée.

Chasseurs de bisons : apports de l’archéozoologie et de la biogéochimie isotopique à l’étude palethnographique et paléoéthologique du gisement épigravettien d’Amvrosievka (Ukraine)

Réalisé en cotutelle avec le Département de Préhistoire du Muséum national d’Histoire naturelle (Paris, France), École doctorale « Sciences de la nature et de l’Homme » (ED 227)

Bioaccumulation du méthylmercure chez les invertébrés aquatiques aux latitudes tempérées et polaires : rôle des facteurs écologiques, biologiques et géochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

El Tropel, un sitio arqueológico del Clásico en el Occidente Mesoamericano.

Cette recherche doctorale a été réalisée dans le cadre d’un projet de sauvetage archéologique à Villa de Álvarez, dans l’état de Colima (Mexique). Dans la zone géographique à l’étude, plusieurs traces indiquant la présence de contextes funéraires ont été relevées par le passé, mais aucun de ces sites n’a fait l’objet d’un rapport archéologique. L’état de Colima est connu pour ses tombes à puits (tumbas de tiro), ses céramiques de manufacture typique, ainsi que pour les fameux « chiens de Colima ». Malgré la relation entre ces objets et les contextes funéraires, peu d’études se sont attardées à comprendre la composante biologique de ces contextes, c’est-à-dire les êtres humains. Ainsi, la richesse du projet de sauvetage archéologique nous a donné l’opportunité de structurer un projet de recherche de thèse doctorale beaucoup plus profond en ce qui concerne un des sujets les plus importants de cette région mésoaméricaine : les traditions funéraires. C’est de cette façon, à la lumière des résultats particuliers obtenus sur le site du Tropel, que nous avons décidé de travailler les liens culturels existants entre ce dernier, la région de Colima, l’Ouest mésoaméricain et l’aire culturelle dans son ensemble. La campagne de fouille ainsi menée a permis la récupération de vingt-six individus de différents sexes et âges. Au moins quatre périodes d’occupation ont été enregistrées sur le site. La présence humaine sur le site s’étend donc de 339AD à 682 AD (datations au radiocarbone sur trois individus du site El Tropel), ce qui correspond à la phase archéologique Comala à Colima. L’abondance d’artefacts de cette phase dans les quatre strates culturelles du site a permis de réaliser une datation relative en relation avec l’apparition et la fréquence de céramiques d’autres phases culturelles connues : Ortices, Colima, Armería y Chanal. Concernant les pratiques funéraires, la fouille a permis de constater le traitement des cadavres avant, pendant et après l’enterrement des défunts. Bien que des contextes funéraires similaires aient déjà été mentionnés dans la région, aucun d’entre eux n’a pu être identifié clairement. Ces traitements funéraires démontrent l’existence chez les anciens habitants de Colima d’une transmission des connaissances concernant l’anatomie, les processus de décomposition des cadavres, et même possiblement d’un culte des os humains. Une étude ostéologique a été menée sur les squelettes afin de documenter les aspects démographiques, pathologiques, sociaux et économiques de la population du site. Parmi les éléments les plus significatifs de l’étude, il est possible de mentionner la présence de certaines pathologies peu connues dans cette région de la Mésoamérique telles que la syphilis et la tuberculose. Des déformations crâniennes ont aussi été observées, ainsi que la présence d’un déformateur crânien en céramique. De plus, de nombreuses données ont été relevées concernant la présence d’os wormiens sur les crânes déformés artificiellement. Finalement, des analyses d’isotopes stables ont été pratiquées sur des os des individus, ainsi que sur des os de chiens et de cerfs retrouvés sur le site, afin de mieux connaître l’alimentation et la vie des communautés anciennes de la région.

Mercure, arsenic et sélénium au Burkina Faso : bioaccumulation, transfert trophique dans les systèmes aquatiques et évaluation de bioaccessibilité chez les humains

L’extraction aurifère est l’une des activités humaines qui a fortement accru l’émission de contaminants métalliques dans l’environnement. Le mercure (Hg), l’arsenic (As) et le sélénium (Se) sont 3 polluants métalliques de grande toxicité environnementale. En milieu aquatique, ils peuvent subir des transformations menant à des composés capables de bioaccumulation et de bioamplification. Il peut en résulter des concentrations 106 fois celle mesurée dans l’eau chez les poissons et les organismes situés en haut des chaînes alimentaires posant de ce fait de graves menaces pour la santé de ces organismes ainsi que leurs consommateurs y compris les humains. Cette étude a évalué les teneurs en Hg, As et Se dans les milieux aquatiques au Burkina Faso, une région d’Afrique sub-saharienne soumise à une exploitation minière intensive. Le risque potentiel pour les organismes aquatiques et les humains a été évalué en considérant les effets des interactions antagonistes Se/Hg et As/Se. La bioaccumulation et le transfert du Hg et du Se dans les réseaux trophiques sont également décrits. L’exposition au Hg de poissons par les humains a été également évalué au laboratoire par mesure de la bioaccessibilité comme équivalent de la biodisponibilité par simulation de la digestion humaine. En général, les milieux aquatiques étudiés étaient peu affectés par ces 3 métal(loïd)s bien que certaines espèces de poisson issus des réservoirs les plus profonds indiquent des teneurs de Hg au dessus de 500 ngHg/g (poids frais) recommandé par l’OMS. Ces niveaux sont susceptibles de présenter des risques toxicologiques pour les poissons et pour leurs consommateurs. En considérant l’antagonisme Se/Hg, 99 % des échantillons de poisson seraient moins exposés à la toxicité du Hg dû à la présence simultanée du sélénium dans le milieu et pourraient être consommés sans risque. Cependant, les effets potentiels de l’antagonisme As/Se pourraient réduire les effets bénéfiques du Se et ramener cette proportion à 83 %. L’application des mesures de signatures en isotopes stables d’azote (δ15N) et de carbone (δ13C) des organismes aquatiques a permis le traçage des voies de transfert du Hg et du Se dans les réseaux trophiques. On y observe des chaînes trophiques très courtes (3 - 4 niveaux trophiques) et des poissons majoritairement benthiques. L’approche isotopique n’a cependant pas permis de détecter les variations saisonnières des niveaux de contamination en Hg des poissons. L’exploration des contenus stomacaux des poissons a permis de mieux expliquer la baisse des concentrations en Hg et Se observées chez certains poissons au cours de la saison sèche en lien avec la variation de la composition des proies que l’analyse isotopique n’a pas cerné. L’étude suggère que l’analyse de contenus stomacaux ainsi que l’étude de la dynamique des communautés d’invertébrés couplées à celle des métaux pourraient améliorer la compréhension du fonctionnement des écosystèmes étudiés. Enfin, l’évaluation expérimentale de l’exposition au Hg indique que les modes de traitement avant consommation ainsi que l’usage de composés alimentaires tels le thé, le café lors de repas de poisson par certaines communautés humaines ont un impact sur la bioaccessibilité du Hg de poisson. Ces résultats, sous réserve de validation par des modèles animaux, suggèrent la prise en compte des habitudes alimentaires des communautés dans l’élaboration adéquat des avis de consommation de poisson.

Évolution des pratiques alimentaires en cours de vie : une étude isotopique multi-matérielle de la population du cimetière Saint-Matthew (Québec, 1771-1860)

En tant que population majoritairement immigrante, les protestants inhumés au cimetière Saint-Matthew, ville de Québec (1771-1860) ont dû s'adapter à un nouvel environnement à leur arrivée au Québec, et donc à de nouvelles ressources. Parallèlement, les 18e et 19e siècles sont marqués par un contexte socio-économique en pleine mutation avec l'arrivée graduelle de la période industrielle, et la ville de Québec, avec son contexte portuaire, a ainsi été au coeur de ces changements. L'objectif de ce mémoire est d'évaluer si la géochimie des isotopes stables appliquée à plusieurs matériaux du squelette humain (collagène et apatite de l'os, collagène de la dentine, et carbonate de l'émail) permet de mieux comprendre comment les comportements alimentaires des individus analysés provenant de ce cimetière cosmopolite (n=40) ont évolué en cours de vie. L'alimentation étant influencée par des conditions socio-économiques, culturelles et environnementales, cela peut nous informer indirectement sur les processus d'adaptation et l'identité d'un individu. C'est dans cette perspective d'écologie culturelle que nous avons interprété les données recueillies lors de ce projet, en complément aux analyses effectuées précédemment par Morland (2009) et Caron (2013). Nos résultats corroborent les tendances déjà observées, soit des pratiques alimentaires semblables à celles que l'on retrouve en Europe, et des immigrants provenant majoritairement des Îles Britanniques. Ils démontrent également une légère augmentation de la consommation de ressources C4, comme le maïs et la canne à sucre, à l'âge adulte pour 90% des individus analysés, de même qu'une baisse du niveau de protéines. Par ailleurs, les individus étudiés ont généralement eu tendance à conserver le même niveau alimentaire les uns par rapport aux autres tout au cours de leur vie, même si les pratiques étaient moins diversifiés à l'âge adulte. Finalement, on constate des similarités de comportements avec les populations irlandaises et britanniques plus pauvres durant l'enfance, alors qu'ils ressemblent davantage à ceux visibles dans la vallée laurentienne en fin de vie, notamment en ce qui concerne l'apport en protéines. Nos résultats suggèrent donc des changements alimentaires significatifs, fort possiblement liés aux processus de migration et à une adaptation constante à un nouvel environnement de la part des individus étudiés.

Projet ANCRE-DMX2 : Indicateurs biologiques et écologiques pour une gestion durable des stocks de poissons DéMersauX profonds (100–700 m) d’intérêt halieutique à La Réunion

L'usage de la ligne à main mécanisée (moulinet électrique) s'est développé à La Réunion au cours des années 2000. Ce métier s’est développé à la suite d’une campagne de prospection des ressources halieutiques profondes (200-700m), menée conjointement par le CRPMEM et l’Ifremer en 2000. L’objectif de cette campagne par pêche au moulinet électrique visait à identifier de nouvelles ressources démersales à des fins de diversification pour la petite pêche artisanale côtière professionnelle réunionnaise. Ainsi, les premiers résultats de cette étude avaient mis en évidence l'existence de nouvelles espèces et des stocks encore peu exploités à l’époque. Leur exploitation par la pêche professionnelle mais aussi par la pêche plaisancière s’est dès lors développée rapidement, sans aucun contrôle. En l’absence de cadre juridique et de mesures de gestion appropriés, la baisse rapide des rendements et les conflits pour l’accès à ces ressources profondes limitées et réputées sensibles à l’exploitation avaient motivé un précédent projet d'étude pour caractériser l’état de ces ressources (ANCRE-DMX, nommé DMX1, Ifremer 2011). Ce premier diagnostic réalisé à peine 10 ans après le début de l’exploitation des principales espèces avait mis en évidence des premiers signes d’une exploitation non soutenable des ressources dans l'ouest et le nord de La Réunion. Il avait été alors préconisé de lever des lacunes importantes concernant la biologie et l’écologie des espèces, d’évaluer l’état de ces stocks et enfin, de définir des indicateurs biologiques et halieutiques permettant de suivre l’évolution de ces différents stocks. En effet, les stocks de poissons démersaux profonds sont connus pour leur vulnérabilité (croissance lente, maturité sexuelle tardive, recrutement aléatoire…), et ce d’autant plus que leurs habitats sont particulièrement restreints à La Réunion. Le présent projet DMX2 a donc eu pour principal objectif d’établir, à partir d’une approche « indicateur », les bases des connaissances halieutiques, biologiques et écologiques manquantes sur les 6 principales espèces ciblées par la pêcherie à la ligne mécanisée. Le plan d’échantillonnage mis en place a couvert des profondeurs comprises entre 80 et 700 mètres, intégrant pour la première fois les zones de transition plus côtières. La période d’échantillonnage s’est déroulée sur un cycle annuel complet, soit d’avril 2014 à mai 2015, avec le concours de 10 pêcheurs professionnels répartis tout autour de l’île. Ainsi, 143 marées ont permis d’échantillonner 3984 individus et plus de 60 espèces différentes. Pour les principales espèces retenues, le suivi des captures en mer et les prélèvements biologiques réalisés ont permis d’appréhender leur rendement, leur structure démographique, leurs relations biométriques, l’étude de leur croissance, leur cycle de reproduction, leur taille de première maturité, la composition relative de leur alimentation ainsi que la variabilité de leur condition corporelle selon les saisons et en fonction des secteurs géographiques de l’île. Pour certaines espèces, les paramètres biologiques et écologiques obtenus n’avaient jamais été étudiés à ce jour. A partir des indicateurs populationnels et bio-écologiques retenus dans le projet, il a été possible d’évaluer l’état de santé des principaux stocks exploités et de les confronter à la situation et à l’évolution de la pêcherie ciblant ces espèces. Sur la base d’une approche de précaution, les diagnostics rendus sont variables selon l’état de santé de chacun des stocks et de leur sensibilité à l’exploitation. L’approche « indicateur » développée dans le cadre de ce projet a été appliquée aux données historiques disponibles. Ces indicateurs seront désormais proposés dans le cadre des suivis qui devront être mis en place dans la définition d’un plan de gestion des ressources démersales profondes à La Réunion. La définition du plan de gestion devra être discutée et validée auprès des différents usagers pêcheurs ainsi que des gestionnaires scientifiques, professionnels et administratifs.

Analyse du compartiment mésozooplanctonique et écologie alimentaire printanière de la sardine, Sardina pilchardus (Walbaum, 1782), et de l’anchois, Engraulis encrasicolus (Linné, 1758) adultes dans le Golfe de Gascogne

Dietary studies of marine species constitute an important key to improve the understanding of its biology and of its role in the ecosystem. Thus, prey-predator relationships structure and determine population dynamics and the trophic network at the ecosystem scale. Among the major study sites, the marine ecosystem is submitted to natural and anthropogenic constraints. In the North-Eastern part of the Atlantic Ocean, the Bay of Biscay is a large open area surrounded South by Spain and East by France. This bay is an historic place of intense fishery activities for which the main small pelagic species targeted are the pilchard, Sardina pilchardus and the anchovy, Engraulis encrasicolus. The aim of this work is to analyze the trophic ecology of these two small pelagic fish in spring in the Bay of Biscay. To do this, a first section is devoted to their prey composed by the mesozooplanktonic compartment, through a two-fold approach: the characterization of their spatio-temporal dynamics during the decade 2003-2013 and the measurement of their energetic content in spring. For this season, it appears that all prey types are not worth energetically and that the Bay of Biscay represents a mosaic of dietary habitat. Moreover, the spring mesozooplankton community presents a strong spatial structuration, a temporal evolution marked by a major change in abundance and a control by the microphytoplankton biomass. The second section of this work is relative to a methodological approach of the trophic ecology of S. pilchardus and E. encrasicolus. Three different trophic tracers have been used: isotopic ratios of carbon and nitrogen, parasitological fauna and mercury contamination levels. To improve the use of the first of these trophic tracers, an experimental approach has been conducted with S. pilchardus to determine a trophic discrimination factor. Finally, it appears that the use of these three trophic tracers has always been permitted to highlight a temporal variability of the relative trophic ecology of these fish. However, no spatial dynamics could be identified through these three trophic tracers.

Planktonic and benthic stables Isotopes, age model and carbon analysis of HUD91/039 from the northernmost Baffin Bay

A multiproxy study of palaeoceanographic and climatic changes in northernmost Baffin Bay shows that major environmental changes have occurred since the deglaciation of the area at about 12 500 cal. yr BP. The interpretation is based on sedimentology, benthic and planktonic foraminifera and their isotopic composition, as well as diatom assemblages in the sedimentary records at two core sites, one located in the deeper central part of northernmost Baffin Bay and one in a separate trough closer to the Greenland coast. A revised chronology for the two records is established on the basis of 15 previously published AMS 14C age determinations. A basal diamicton is overlain by laminated, fossil-free sediments. Our data from the early part of the fossiliferous record (12 300 - 11 300 cal. yr BP), which is also initially laminated, indicate extensive seasonal sea-ice cover and brine release. There is indication of a cooling event between 11 300 and 10 900 cal. yr BP, and maximum Atlantic Water influence occurred between 10 900 and 8200 cal. yr BP (no sediment recovery between 8200 and 7300 cal. yr BP). A gradual, but fluctuating, increase in sea-ice cover is seen after 7300 cal. yr BP. Sea-ice diatoms were particularly abundant in the central part of northernmost Baffin Bay, presumably due to the inflow of Polar waters from the Arctic Ocean, and less sea ice occurred at the near-coastal site, which was under continuous influence of the West Greenland Current. Our data from the deep, central part show a fluctuating degree of upwelling after c. 7300 cal. yr BP, culminating between 4000 and 3050 cal. yr BP. There was a gradual increase in the influence of cold bottom waters from the Arctic Ocean after about 3050 cal. yr BP, when agglutinated foraminifera became abundant. A superimposed short-term change in the sea-surface proxies is correlated with the Little Ice Age cooling.

Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure (TEE) using stable isotopes

Understanding the relationship between diet, physical activity and health in humans requires accurate measurement of body composition and daily energy expenditure. Stable isotopes provide a means of measuring total body water and daily energy expenditure under free-living conditions. While the use of isotope ratio mass spectrometry (IRMS) for the analysis of 2H (Deuterium) and 18O (Oxygen-18) is well established in the field of human energy metabolism research, numerous questions remain regarding the factors which influence analytical and measurement error using this methodology. This thesis was comprised of four studies with the following emphases. The aim of Study 1 was to determine the analytical and measurement error of the IRMS with regard to sample handling under certain conditions. Study 2 involved the comparison of TEE (Total daily energy expenditure) using two commonly employed equations. Further, saliva and urine samples, collected at different times, were used to determine if clinically significant differences would occur. Study 3 was undertaken to determine the appropriate collection times for TBW estimates and derived body composition values. Finally, Study 4, a single case study to investigate if TEE measures are affected when the human condition changes due to altered exercise and water intake. The aim of Study 1 was to validate laboratory approaches to measure isotopic enrichment to ensure accurate (to international standards), precise (reproducibility of three replicate samples) and linear (isotope ratio was constant over the expected concentration range) results. This established the machine variability for the IRMS equipment in use at Queensland University for both TBW and TEE. Using either 0.4mL or 0.5mL sample volumes for both oxygen-18 and deuterium were statistically acceptable (p>0.05) and showed a within analytical variance of 5.8 Delta VSOW units for deuterium, 0.41 Delta VSOW units for oxygen-18. This variance was used as “within analytical noise” to determine sample deviations. It was also found that there was no influence of equilibration time on oxygen-18 or deuterium values when comparing the minimum (oxygen-18: 24hr; deuterium: 3 days) and maximum (oxygen-18: and deuterium: 14 days) equilibration times. With regard to preparation using the vacuum line, any order of preparation is suitable as the TEE values fall within 8% of each other regardless of preparation order. An 8% variation is acceptable for the TEE values due to biological and technical errors (Schoeller, 1988). However, for the automated line, deuterium must be assessed first followed by oxygen-18 as the automated machine line does not evacuate tubes but merely refills them with an injection of gas for a predetermined time. Any fractionation (which may occur for both isotopes), would cause a slight elevation in the values and hence a lower TEE. The purpose of the second and third study was to investigate the use of IRMS to measure the TEE and TBW of and to validate the current IRMS practices in use with regard to sample collection times of urine and saliva, the use of two TEE equations from different research centers and the body composition values derived from these TEE and TBW values. Following the collection of a fasting baseline urine and saliva sample, 10 people (8 women, 2 men) were dosed with a doubly labeled water does comprised of 1.25g 10% oxygen-18 and 0.1 g 100% deuterium/kg body weight. The samples were collected hourly for 12 hrs on the first day and then morning, midday, and evening samples were collected for the next 14 days. The samples were analyzed using an isotope ratio mass spectrometer. For the TBW, time to equilibration was determined using three commonly employed data analysis approaches. Isotopic equilibration was reached in 90% of the sample by hour 6, and in 100% of the sample by hour 7. With regard to the TBW estimations, the optimal time for urine collection was found to be between hours 4 and 10 as to where there was no significant difference between values. In contrast, statistically significant differences in TBW estimations were found between hours 1-3 and from 11-12 when compared with hours 4-10. Most of the individuals in this study were in equilibrium after 7 hours. The TEE equations of Prof Dale Scholler (Chicago, USA, IAEA) and Prof K.Westerterp were compared with that of Prof. Andrew Coward (Dunn Nutrition Centre). When comparing values derived from samples collected in the morning and evening there was no effect of time or equation on resulting TEE values. The fourth study was a pilot study (n=1) to test the variability in TEE as a result of manipulations in fluid consumption and level of physical activity; the magnitude of change which may be expected in a sedentary adult. Physical activity levels were manipulated by increasing the number of steps per day to mimic the increases that may result when a sedentary individual commences an activity program. The study was comprised of three sub-studies completed on the same individual over a period of 8 months. There were no significant changes in TBW across all studies, even though the elimination rates changed with the supplemented water intake and additional physical activity. The extra activity may not have sufficiently strenuous enough and the water intake high enough to cause a significant change in the TBW and hence the CO2 production and TEE values. The TEE values measured show good agreement based on the estimated values calculated on an RMR of 1455 kcal/day, a DIT of 10% of TEE and activity based on measured steps. The covariance values tracked when plotting the residuals were found to be representative of “well-behaved” data and are indicative of the analytical accuracy. The ratio and product plots were found to reflect the water turnover and CO2 production and thus could, with further investigation, be employed to identify the changes in physical activity.

Determination of coastal ground and surface water processes and character by use of hydrochemistry and stable isotopes, Fraser Coast, Queensland

This study was part of an integrated project developed in response to concerns regarding current and future land practices affecting water quality within coastal catchments and adjacent marine environments. Two forested coastal catchments on the Fraser Coast, Australia, were chosen as examples of low-modification areas with similar geomorphological and land-use characteristics to many other coastal zones in southeast Queensland. For this component of the overall project, organic , physico-chemical (Eh, pH and DO), ionic (Fe2+, Fe3+), and isotopic (ä13CDIC, ä15NDIN ä34SSO4) data were used to characterise waters and identify sources and processes contributing to concentrations and form of dissolved Fe, C, N and S within the ground and surface waters of these coastal catchments. Three sites with elevated Fe concentrations are discussed in detail. These included a shallow pool with intermittent interaction with the surface water drainage system, a monitoring well within a semi-confined alluvial aquifer, and a monitoring well within the fresh/saline water mixing zone adjacent to an estuary. Conceptual models of processes occurring in these environments are presented. The primary factors influencing Fe transport were; microbial reduction of Fe3+ oxyhydroxides in groundwaters and in the hyporheic zone of surface drainage systems, organic input available for microbial reduction and Fe3+ complexation, bacterial activity for reduction and oxidation, iron curtain effects where saline/fresh water mixing occurs, and variation in redox conditions with depth in ground and surface water columns. Data indicated that groundwater seepage appears a more likely source of Fe to coastal waters (during periods of low rainfall) via tidal flux. The drainage system is ephemeral and contributes little discharge to marine waters. However, data collected during a high rainfall event indicated considerable Fe loads can be transported to the estuary mouth from the catchment.