CO2 concentration and stable isotope ratios of three Antarctic ice cores covering the period from 149.4 - 1.5 kyr before 1950

We present new d13C measurements of atmospheric CO2 covering the last glacial/interglacial cycle, complementing previous records covering Terminations I and II. Most prominent in the new record is a significant depletion in d13C(atm) of 0.5 permil occurring during marine isotope stage (MIS) 4, followed by an enrichment of the same magnitude at the beginning of MIS 3. Such a significant excursion in the record is otherwise only observed at glacial terminations, suggesting that similar processes were at play, such as changing sea surface temperatures, changes in marine biological export in the Southern Ocean (SO) due to variations in aeolian iron fluxes, changes in the Atlantic meridional overturning circulation, upwelling of deep water in the SO, and long-term trends in terrestrial carbon storage. Based on previous modeling studies, we propose constraints on some of these processes during specific time intervals. The decrease in d13C(atm) at the end of MIS 4 starting approximately 64 kyr B.P. was accompanied by increasing [CO2]. This period is also marked by a decrease in aeolian iron flux to the SO, followed by an increase in SO upwelling during Heinrich event 6, indicating that it is likely that a large amount of d13C-depleted carbon was transferred to the deep oceans previously, i.e., at the onset of MIS 4. Apart from the upwelling event at the end of MIS 4 (and potentially smaller events during Heinrich events in MIS 3), upwelling of deep water in the SO remained reduced until the last glacial termination, whereupon a second pulse of isotopically light carbon was released into the atmosphere.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Stratégie d'amélioration de la résistance mécanique des zones de connecteurs

Le bois subit une demande croissante comme matériau de construction dans les bâtiments de grandes dimensions. Ses qualités de matériau renouvelable et esthétique le rendent attrayant pour les architectes. Lorsque comparé à des produits fonctionnellement équivalents, il apparait que le bois permet de réduire la consommation d’énergie non-renouvelable. Sa transformation nécessite une quantité d’énergie inférieure que l’acier et le béton. Par ailleurs, par son origine biologique, une structure en bois permet de stocker du carbone biogénique pour la durée de vie du bâtiment. Maintenant permis jusqu’à six étages de hauteur au Canada, les bâtiments de grande taille en bois relèvent des défis de conception. Lors du dimensionnement des structures, les zones des connecteurs sont souvent les points critiques. Effectivement, les contraintes y sont maximales. Les structures peuvent alors apparaitre massives et diminuer l’innovation architecturale. De nouvelles stratégies doivent donc être développées afin d’améliorer la résistance mécanique dans les zones de connecteurs. Différents travaux ont récemment porté sur la création ou l’amélioration de types d’assemblage. Dans cette étude, l’accent est mis sur le renforcement du bois utilisé dans la région de connexion. L’imprégnation a été choisie comme solution de renfort puisque la littérature démontre qu’il est possible d’augmenter la dureté du bois avec cette technique. L’utilisation de cette stratégie de renfort sur l’épinette noire (Picea Mariana (Mill.) BSP) pour une application structurale est l’élément de nouveauté dans cette recherche. À défaut d’effectuer une imprégnation jusqu’au coeur des pièces, l’essence peu perméable de bois employée favorise la création d’une mince couche en surface traitée sans avoir à utiliser une quantité importante de produits chimiques. L’agent d’imprégnation est composé de 1,6 hexanediol diacrylate, de triméthylopropane tricacrylate et d’un oligomère de polyester acrylate. Une deuxième formulation contenant des nanoparticules de SiO2 a permis de vérifier l’effet des nanoparticules sur l’augmentation de la résistance mécanique du bois. Ainsi, dans ce projet, un procédé d’imprégnation vide-pression a servi à modifier un nouveau matériau à base de bois permettant des assemblages plus résistants mécaniquement. Le test de portance locale à l’enfoncement parallèle au fil d’un connecteur de type tige a été réalisé afin de déterminer l’apport du traitement sur le bois utilisé comme élément de connexion. L’effet d’échelle a été observé par la réalisation du test avec trois diamètres de boulons différents (9,525 mm, 12,700 mm et 15,875 mm). En outre, le test a été effectué selon un chargement perpendiculaire au fil pour le boulon de moyen diamètre (12,700 mm). La corrélation d’images numériques a été utilisée comme outil d’analyse de la répartition des contraintes dans le bois. Les résultats ont démontré une portance du bois plus élevée suite au traitement. Par ailleurs, l’efficacité est croissante lorsque le diamètre du boulon diminue. C’est un produit avec une valeur caractéristique de la portance locale parallèle au fil de 79% supérieure qui a été créé dans le cas du test avec le boulon de 9,525 mm. La raideur du bois a subi une augmentation avoisinant les 30%. Suite au traitement, la présence d’une rupture par fissuration est moins fréquente. Les contraintes se distribuent plus largement autour de la région de connexion. Le traitement n’a pas produit d’effet significatif sur la résistance mécanique de l’assemblage dans le cas d’un enfoncement du boulon perpendiculairement au fil du bois. De même, l’effet des nanoparticules en solution n’est pas ressorti significatif. Malgré une pénétration très faible du liquide à l’intérieur du bois, la couche densifiée en surface créée suite au traitement est suffisante pour produire un nouveau matériau plus résistant dans les zones de connexion. Le renfort du bois dans la région des connecteurs doit influencer le dimensionnement des structures de grande taille. Avec des éléments de connexion renforcés, il sera possible d’allonger les portées des poutres, multipliant ainsi les possibilités architecturales. Le renfort pourra aussi permettre de réduire les sections des poutres et d’utiliser une quantité moindre de bois dans un bâtiment. Cela engendrera des coûts de transport et des coûts reliés au temps d’assemblage réduits. De plus, un connecteur plus résistant permettra d’être utilisé en moins grande quantité dans un assemblage. Les coûts d’approvisionnement en éléments métalliques et le temps de pose sur le site pourront être revus à la baisse. Les avantages d’un nouveau matériau à base de bois plus performant utilisé dans les connexions permettront de promouvoir le bois dans les constructions de grande taille et de réduire l’impact environnemental des bâtiments.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

The role of forest certification for the conservation of biodiversity and sustainability of cork oak woodlands

Doutoramento em Engenharia Florestal e dos Recursos Naturais - Instituto Superior de Agronomia - UL

Equivalent Carbon Dioxide Capture and Storage Processes in Offshore Petroleum Production Facilities

The present study approaches the economic and technical evaluation of equivalent carbon dioxide (CO(2) eqv.) capture and storage processes, considered in a proposal case compared to a base case. The base case considers an offshore petroleum production facility, with high CO(2) content (4 vol%) in the composition of the produced gas and both CO(2) and natural gas emissions to the atmosphere, called CO(2) eqv. emissions. The results obtained with this study, by using a Hysys process simulator, showed a CO(2) emission reduction of 65% comparing the proposal case in relation to the base case.

Hydrogen Storage by Carbon Nanotubes

Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology® is the World's first encyclopedia ever published in the field of nanotechnology. The 10-volume Encyclopedia is an unprecedented single reference source that provides ideal introduction and overview of most recent advances and emerging new aspects of nanotechnology spanning from science to engineering to medicine. Although there are many books/handbook and journals focused on nanotechnology, no encyclopedic reference work has been published covering all aspects of nanoscale science and technology dealing with materials synthesis, processing, fabrication, probes, spectroscopy, physical properties, electronics, optics, mechanics, biotechnology, devices, etc. The Encyclopedia fills this gap to provide basic information on all fundamental and applied aspects of nanotechnology by drawing on two decades of pioneering research. It is the only scientific work of its kind since the beginning of the field of nanotechnology bringing together core knowledge and the very latest advances. It is written for all levels audience that allows non-scientists to understand the nanotechnology while providing up-to-date latest information to active scientists to experts in the field. This outstanding encyclopedia is an indispensable source for research professionals, technology investors and developers seeking the most up-to-date information on the nanotechnology among a wide range of disciplines from science to engineering to medicine.

Recent advances in the preparation and utilization of carbon nanotubes for hydrogen storage

Recent progress in the production, purification, and experimental and theoretical investigations of carbon nanotubes for hydrogen storage are reviewed. From the industrial point of view, the chemical vapor deposition process has shown advantages over laser ablation and electric-arc-discharge methods. The ultimate goal in nanotube synthesis should be to gain control over geometrical aspects of nanotubes, such as location and orientation, and the atomic structure of nanotubes, including helicity and diameter. There is currently no effective and simple purification procedure that fulfills all requirements for processing carbon nanotubes. Purification is still the bottleneck for technical applications, especially where large amounts of material are required. Although the alkali-metal-doped carbon nanotubes showed high H-2 Weight uptake, further investigations indicated that some of this uptake was due to water rather than hydrogen. This discovery indicates a potential source of error in evaluation of the storage capacity of doped carbon nanotubes. Nevertheless, currently available single-wall nanotubes yield a hydrogen uptake value near 4 wt% under moderate pressure and room temperature. A further 50% increase is needed to meet U.S. Department of Energy targets for commercial exploitation. Meeting this target will require combining experimental and theoretical efforts to achieve a full understanding of the adsorption process, so that the uptake can be rationally optimized to commercially attractive levels. Large-scale production and purification of carbon nanotubes and remarkable improvement of H-2 storage capacity in carbon nanotubes represent significant technological and theoretical challenges in the years to come.

Power Consumption in Carbon Capture and Storage Systems (CCS) and Possibilities to Reduce Power Consumption with Variable Speed Drives

The aim of this master´s thesis is to study which processes increase the auxiliary power consumption in carbon capture and storage processes and if it is possible to reduce the auxiliary power consumption with variable speed drives. Also the cost of carbon capture and storage is studied. Data about auxiliary power consumption in carbon capture is gathered from various studies and estimates made by various research centres. Based on these studies a view is presented how the power auxiliary power consumption is divided between different processes in carbon capture processes. In a literary study, the operation of three basic carbon capture systems is described. Also different methods to transport carbon dioxide and carbon dioxide storage options are described in this section. At the end of the thesis processes that consume most of the auxiliary power are defined and possibilities to reduce the auxiliary power consumption are evaluated. Cost of carbon capture, transport and storage are also evaluated at this point and in the case that the carbon capture and storage systems are fully deployed. According to the results, it can be estimated what are the processes are where variable speed drives can be used and what kind of cost and power consumption reduction could be achieved. Results also show how large a project carbon capture and storage is if it is fully deployed.

An integrated assessment of carbon dioxide capture and storage in the UK

Geological carbon dioxide storage (CCS) has the potential to make a significant contribution to the decarbonisation of the UK. Amid concerns over maintaining security, and hence diversity, of supply, CCS could allow the continued use of coal, oil and gas whilst avoiding the CO2 emissions currently associated with fossil fuel use. This project has explored some of the geological, environmental, technical, economic and social implications of this technology. The UK is well placed to exploit CCS with a large offshore storage capacity, both in disused oil and gas fields and saline aquifers. This capacity should be sufficient to store CO2 from the power sector (at current levels) for a least one century, using well understood and therefore likely to be lower-risk, depleted hydrocarbon fields and contained parts of aquifers. It is very difficult to produce reliable estimates of the (potentially much larger) storage capacity of the less well understood geological reservoirs such as non-confined parts of aquifers. With the majority of its large coal fired power stations due to be retired during the next 15 to 20 years, the UK is at a natural decision point with respect to the future of power generation from coal; the existence of both national reserves and the infrastructure for receiving imported coal makes clean coal technology a realistic option. The notion of CCS as a ‘bridging’ or ‘stop-gap’ technology (i.e. whilst we develop ‘genuinely’ sustainable renewable energy technologies) needs to be examined somewhat critically, especially given the scale of global coal reserves. If CCS plant is built, then it is likely that technological innovation will bring down the costs of CO2 capture, such that it could become increasingly attractive. As with any capitalintensive option, there is a danger of becoming ‘locked-in’ to a CCS system. The costs of CCS in our model for UK power stations in the East Midlands and Yorkshire to reservoirs in the North Sea are between £25 and £60 per tonne of CO2 captured, transported and stored. This is between about 2 and 4 times the current traded price of a tonne of CO2 in the EU Emissions Trading Scheme. In addition to the technical and economic requirements of the CCS technology, it should also be socially and environmentally acceptable. Our research has shown that, given an acceptance of the severity and urgency of addressing climate change, CCS is viewed favourably by members of the public, provided it is adopted within a portfolio of other measures. The most commonly voiced concern from the public is that of leakage and this remains perhaps the greatest uncertainty with CCS. It is not possible to make general statements concerning storage security; assessments must be site specific. The impacts of any potential leakage are also somewhat uncertain but should be balanced against the deleterious effects of increased acidification in the oceans due to uptake of elevated atmospheric CO2 that have already been observed. Provided adequate long term monitoring can be ensured, any leakage of CO2 from a storage site is likely to have minimal localised impacts as long as leaks are rapidly repaired. A regulatory framework for CCS will need to include risk assessment of potential environmental and health and safety impacts, accounting and monitoring and liability for the long term. In summary, although there remain uncertainties to be resolved through research and demonstration projects, our assessment demonstrates that CCS holds great potential for significant cuts in CO2 emissions as we develop long term alternatives to fossil fuel use. CCS can contribute to reducing emissions of CO2 into the atmosphere in the near term (i.e. peak-shaving the future atmospheric concentration of CO2), with the potential to continue to deliver significant CO2 reductions over the long term.

Life cycle GHG assessment of fossil fuel power plants with carbon capture and storage

The evaluation of life cycle greenhouse gas emissions from power generation with carbon capture and storage (CCS) is a critical factor in energy and policy analysis. The current paper examines life cycle emissions from three types of fossil-fuel-based power plants, namely supercritical pulverized coal (super-PC), natural gas combined cycle (NGCC) and integrated gasification combined cycle (IGCC), with and without CCS. Results show that, for a 90% CO2 capture efficiency, life cycle GHG emissions are reduced by 75-84% depending on what technology is used. With GHG emissions less than 170 g/kWh, IGCC technology is found to be favorable to NGCC with CCS. Sensitivity analysis reveals that, for coal power plants, varying the CO2 capture efficiency and the coal transport distance has a more pronounced effect on life cycle GHG emissions than changing the length of CO2 transport pipeline. Finally, it is concluded from the current study that while the global warming potential is reduced when MEA-based CO2 capture is employed, the increase in other air pollutants such as NOx and NH3 leads to higher eutrophication and acidification potentials.

A time series sequestration and storage model of atmospheric carbon dioxide

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)