Concentrations et flux d'azote dans les sédiments hypoxiques de l'Estuaire Maritime du St-Laurent.

Les sédiments sont des sites importants d’élimination d’azote (N) puisqu’ils possèdent des gradients d’oxydoréduction leur conférant les conditions idéales pour les réactions microbiennes de transformation de N. L’eutrophisation des régions côtières peut altérer ces gradients, par des changements dans la concentration d’oxygène (O2) de l’eau interstitielle, et modifier l’importance relative des processus transformant le N. Afin de mieux comprendre comment l’O2 pourrait influencer les transformations de N, nous avons mesuré les flux diffusifs de diazote (N2), nitrate (NO3-), oxygène et ammonium (NH4+) dans les sédiments de l’Estuaire Maritime du St-Laurent (EMSL), et nous avons estimé les taux de dénitrification. L’importance du couple nitrification-dénitrification en fonction d’un gradient de concentrations d’O2 dans la zone d’hypoxie de l’EMSL fut aussi évaluée. La concentration des gaz dissous fut mesurée en utilisant une nouvelle approche développée dans cette étude. Les flux diffusifs de N2, O2, NO3- et NH4+ variaient de 5.5 à 8.8, de -37.1 à -84.8, de -4.0 à -5.8 et de 0.6 à 0.8 μmol N m-2 h-1 respectivement. Les concentrations de N2 et NO3- dans l’eau porale et les flux de NO3- et de N2 des sédiments, suggèrent que la diffusion de NO3- provenant de l’eau à la surface des sédiments ne peut pas expliquer par elle-même la production de N2 observée. En utilisant une approche stoichiométrique, les taux de nitrification potentielle estimés comptent pour 0.01 à 52% du flux total de NO3 nécessaire pour aboutir aux flux de N2 observés et diminuent avec l’augmentation de l’hypoxie.

Évaluation de la régulation de l'oxygénation dans les capillaires de la tête du nerf optique suivant un effort physique dynamique

Il est généralement accepté que les lits vasculaires oculaires auraient la faculté d’autoréguler leur apport sanguin afin de contrebalancer les variations de pression de perfusion oculaire (PPO). Plusieurs études ont tenté d’évaluer ce mécanisme en mesurant les effets d’une variation de la PPO - induite par un exercice ou par une augmentation de la pression intra-oculaire (PIO) à l’aide d’une suction sclérale - sur le débit sanguin oculaire (DSO). Or, les méthodes de mesure du DSO utilisées jusqu'à maintenant présentent de nombreux désavantages et limites, ce qui rend difficile leur usage clinique. De récents développements dans le domaine des investigations non-invasives des paramètres sanguins oculaires proposent un modèle capable de mesurer en temps réel la concentration en oxygène, un autre paramètre important du métabolisme rétinien. Dans le cadre de la présente étude, ce nouveau modèle est utilisé afin de mesurer les effets d’un effort physique dynamique sur la concentration d’oxygène dans les capillaires de la tête du nerf optique (COTNO) de sujets jeunes et en santé. Six jeunes hommes non fumeurs ont participé à l’étude. L’effort physique dynamique consistait en une séance de bicyclette stationnaire de 15 minutes menant à une augmentation du pouls à 160 battements par minute. La COTNO était mesurée avant et immédiatement après la séance d’exercice. La pression artérielle (PA) et la PIO étaient mesurées ponctuellement alors que le pouls et la saturation sanguine en oxygène (SpO2) au niveau digital étaient mesurés tout au long de l’expérience. L’effort physique a entrainé une réduction de la PIO chez tous les sujets, une réduction de la COTNO chez tous les sujets sauf un tandis que la SpO2 demeura constante chez tous les sujets. Une corrélation quadratique entre les variations de la PIO et de la COTNO a pu être notée. Ces résultats suggèrent une corrélation directe entre les variations de la COTNO et celles de la PPO et de la PA. Les résultats de la présente étude suggèrent que les variations de la COTNO chez un sujet en santé suite à un effort physique dynamique pourraient représenter sa capacité à compenser un tel effort. De plus, les changements métaboliques sanguins induits par l’effort physique dynamique pourraient représenter une cause commune aux variations de la PIO et de la COTNO.

Les dérivées de l’hémoglobine dans la structure rétinienne par la technique de réflectométrie multi-spectrale

L’examen de la rétine par des moyens non invasifs et in vivo a été un objectif de recherche pendant plusieurs années. Pour l’œil comme pour tous les organes du corps humain, un apport soutenu en oxygène est nécessaire pour le maintien de l’homéostasie. La concentration en oxygène du sang des vaisseaux rétiniens peut être déterminée principalement à partir des mesures du spectre de réflexion du fond de l’œil. En envoyant une lumière, à différentes longueurs d’onde, sur la rétine et en analysant la nature de la lumière réfléchie par la rétine, il est possible d’obtenir des informations quantitatives sur le niveau d'oxygène dans les vaisseaux sanguins de la rétine ou sur le flux sanguin. Cependant, la modélisation est compliquée due aux différentes interactions et aux chemins que la lumière prend à travers les tissus oculaires avant de quitter l’œil. L’objectif de cette thèse a été de développer et de valider un modèle mathématique afin de calculer les dérivées d’hémoglobine à partir de mesures spectrales de réflectométrie sur les vaisseaux sanguins de la rétine. L’instrument utilisé pour mesurer la fonction spectrale de réflectométrie a été un spectroréflectomètre multi-canal, une technologie capable de mesurer in vivo et en continu 800 spectres simultanément. L'équation mathématique qui décrit la fonction spectrale de réflectométrie dans la zone spectrale de 480 nm à 650 nm a été exprimée comme la combinaison linéaire de plusieurs termes représentant les signatures spectrales de l'hémoglobine SHb, de l'oxyhémoglobine SOHB, l’absorption et la diffusion des milieux oculaires et une famille de fonctions multigaussiennes utilisées pour compenser l’incompatibilité du modèle et les données expérimentales dans la zone rouge du spectre. Les résultats du modèle révèlent que le signal spectral obtenu à partir de mesures de réflectométrie dans l’œil est complexe, contenant la lumière absorbée, réfléchie et diffusée, mais chacun avec une certaine prédominance spécifique en fonction de la zone spectrale. La fonction spectrale d’absorption du sang est dominante dans la zone spectrale 520 à 580 nm, tandis que dans la zone spectrale de longueurs d’ondes plus grandes que 590 nm, la diffusion sur les cellules rouges du sang est dominante. Le modèle a été utilisé afin de mesurer la concentration d’oxygène dans les capillaires de la tête du nerf optique suite à un effort physique dynamique. L’effort physique a entraîné une réduction de la concentration d’oxygène dans les capillaires, ainsi qu’une réduction de la pression intraoculaire, tandis que la saturation sanguine en oxygène, mesurée au niveau du doigt, restait constante. Le modèle mathématique développé dans ce projet a ainsi permis, avec la technique novatrice de spectroréflectométrie multicanal, de déterminer in vivo et d’une manière non invasive l’oxygénation sanguine des vaisseaux rétiniens.

Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Dynamique de l'oxygène et l'activité microbienne dans les lacs de fonte du pergélisol subarctique

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l’oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l’été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d’ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d’autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L’érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l’air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l’oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d’eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques.

Elevated concentration of TNF-a induces trophoblast differentiation in mouse blastocyst outgrowths

Elevated expression of tumour necrosis factora (TNF-a) is associated with adverse pregnancy outcome. This study has examined the expression of TNF-a and its receptors (TNF-Rs) by mouse blastocysts and blastocyst outgrowths from day 4 to 9.5 of pregnancy and investigated the effects of elevated TNF-a on the inner cell mass (ICM) and trophoblast cells of blastocyst outgrowths. RTPCR demonstrated TNF-a mRNA expression from day 7.5 to 9.5, TNF-R1 from day 6.5 to 9.5 and TNF-R2 from day 5.5 to 7.5 of pregnancy, and in situ hybridisation revealed the trophoblast giant cells (TGCs) of the early placenta as the site of TNF-a expression. Day 4 blastocysts were cultured in a physiologically high concentration of TNF-a (100 ng/ml) for 72 h to the outgrowth stage and then compared to blastocysts cultured in media alone. TNF-a-treated blastocyst outgrowths exhibited a significant reduction in ICM cells (mean € SD 23.90€10.42 vs 9.37€7.45, t-test, P<0.0001) with no significant change in the numbers of trophoblast cells (19.97€8.14 vs 21.73€7.79, t-test, P=0.39). Within the trophoblast cell population, the TNF-a-treated outgrowths exhibited a significant increase in multinucleated cells (14.10€5.53 vs 6.37€5.80, t-test, P<0.0001) and a corresponding significant decrease in mononucleated cells (5.87€3.60 vs 15.37€5.87, t-test, P<0.0001). In summary, this study describes the expression of TNF-a and its receptors during the peri-implantation period in the mouse. It also reports that elevated TNF-a restricts ICM proliferation in the blastocyst and changes the ratio of mononucleated to multinucleated trophoblast cells. These findings suggest a mechanism by which increased

Airborne particulate matter at a bus station : concentration levels and governing parameters

Traffic emissions are an important contributor to ambient air pollution, especially in large cities featuring extensive and high density traffic networks. Bus fleets represent a significant part of inner city traffic causing an increase in exposure to general public, passengers and drivers along bus routes and at bus stations. Limited information is available on quantification of the levels, and governing parameters affecting the air pollution exposure at bus stations. The presented study investigated the bus emissions-dominated ambient air in a large, inner city bus station, with a specific focus on submicrometer particles. The study’s objectives were (i) quantification of the concentration levels; (ii) characterisation of the spatio-temporal variation; (iii) identification of the parameters governing the emissions levels at the bus station and (iv) assessment of the relationship between particle concentrations measured at the street level (background) and within the bus station. The results show that up to 90% of the emissions at the station are ultrafine particles (smaller than 100 nm), with the concentration levels up to 10 times the value of urban ambient air background (annual) and up to 4 times the local ambient air background. The governing parameters affecting particle concentration at the station were bus flow rate and meteorological conditions (wind velocity). Particle concentration followed a diurnal trend, with an increase in the morning and evening, associated with traffic rush hours. Passengers’ exposure could be significant compared to the average outdoor and indoor exposure levels.

A pilot study on the effect of indoor particle sources on indoor particle concentration in residential houses

Characterization of indoor particle sources from 14 residential houses in Brisbane, Australia, was performed. The approximation of PM2.5 and the submicrometre particle number concentrations were measured simultaneously for more than 48 h in the kitchen of all the houses by using a photometer (DustTrak) and a condensation particle counter (CPC), respectively. From the real time indoor particle concentration data and a diary of indoor activities, the indoor particle sources were identified. The study found that among the indoor activities recorded in this study, frying, grilling, stove use, toasting, cooking pizza, smoking, candle vaporizing eucalyptus oil and fan heater use, could elevate the indoor particle number concentration levels by more than five times. The indoor approximation of PM2.5 concentrations could be close to 90 times, 30 times and three times higher than the background levels during grilling, frying and smoking, respectively.

Determination of particle concentration in the breathing zone for four different types of office ventilation systems

Many factors affect the airflow patterns, thermal comfort, contaminant removal efficiency and indoor air quality at individual workstations in office buildings. In this study, four ventilation systems were used in a test chamber designed to represent an area of a typical office building floor and reproduce the real characteristics of a modern office space. Measurements of particle concentration and thermal parameters (temperature and velocity) were carried out for each of the following types of ventilation systems: a) conventional air distribution system with ceiling supply and return; b) conventional air distribution system with ceiling supply and return near the floor; c) underfloor air distribution system; and d) split system. The measurements aimed to analyse the particle removal efficiency in the breathing zone and the impact of particle concentration on an individual at the workstation. The efficiency of the ventilation system was analysed by measuring particle size and concentration, ventilation effectiveness and the Indoor/Outdoor ratio. Each ventilation system showed different airflow patterns and the efficiency of each ventilation system in the removal of the particles in the breathing zone showed no correlation with particle size and the various methods of analyses used.

On-road ultrafine particle concentration in the M5 East road tunnel, Sydney, Australia

The human health effects following exposure to ultrafine (<100nm) particles (UFPs) produced by fuel combustion, while not completely understood, are generally regarded as detrimental. Road tunnels have emerged as locations where maximum exposure to these particles may occur for the vehicle occupants using them. This study aimed to quantify and investigate the determinants of UFP concentrations in the 4km twin-bore (eastbound and westbound) M5 East tunnel in Sydney, Australia. Sampling was undertaken using a condensation particle counter (CPC) mounted in a vehicle traversing both tunnel bores at various times of day from May through July, 2006. Supplementary measurements were conducted in February, 2008. Over three hundred transects of the tunnel were performed, and these were distributed evenly between the bores. Additional comparative measurements were conducted on a mixed route comprising major roads and shorter tunnels, all within Sydney. Individual trip average UFP concentrations in the M5 East tunnel bores ranged from 5.53 × 104 p cm-3 to 5.95 × 106 p cm-3. Data were sorted by hour of capture, and hourly median trip average (HMA) UFP concentrations ranged from 7.81 × 104 p cm-3 to 1.73 × 106 p cm-3. Hourly median UFP concentrations measured on the mixed route were between 3.71 × 104 p cm-3 and 1.55 × 105 p cm-3. Hourly heavy diesel vehicle (HDV) traffic volume was a very good determinant of UFP concentration in the eastbound tunnel bore (R2 = 0.87), but much less so in the westbound bore (R2 = 0.26). In both bores, the volume of passenger vehicles (i.e. unleaded gasoline-powered vehicles) was a significantly poorer determinant of particle concentration. When compared with similar studies reported previously, the measurements described here were among the highest recorded concentrations, which further highlights the contribution road tunnels may make to the overall UFP exposure of vehicle occupants.

Velocity and Concentration field of discharge from a boat propeller

Two-stroke outboard boat engines using total loss lubrication deposit a significant proportion of their lubricant and fuel directly into the water. The purpose of this work is to document the velocity and concentration field characteristics of a submerged swirling water jet emanating from a propeller in order to provide information on its fundamental characteristics. Measurements of the velocity and concentration field were performed in a turbulent jet generated by a model boat propeller (0.02 m diameter) operating at 1500 rpm and 3000 rpm. The measurements were carried out in the Zone of Established Flow up to 50 propeller diameters downstream of the propeller. Both the mean axial velocity profile and the mean concentration profile showed self-similarity. Further, the stand deviation growth curve was linear. The effects of propeller speed and dye release location were also investigated.