Algal biofuel: bountiful lipid from Chlorococcum sp proliferating in municipal wastewater

Algae biofuel have emerged as viable renewable energy sources and are the potential alternatives to fossil-based fuels in recent times. Algae have the potential to generate significant quantities of commercially viable biofuel apart from treating wastewater. Three algal species, viz. Chlorococcum sp., Microcystis sp. and Phormidium sp. proliferating in wastewater ponds were isolated and cultured in the laboratory myxotrophically under similar wastewater conditions. Chlorococcum sp. attained a mean biomass productivity of 0.09 g. I(-1)d(-1) with the maximum `biomass density of 1.33 g I-1 and comparatively higher lipid content of 30.55% (w/w) on the ninth day of the culture experiment. Under similar conditions Microcystis sp. and Phormidium sp. attained mean biomass productivities of 0.058 and 0.063 g I-1 d(-1) with a total lipid content of 8.88% and 18.66% respectively. Biochemical composition (carbohydrates, proteins, lipids and phosphates) variations and lipid accumulation studies were performed by comparison of the ratios of carbohydrate to protein; lipid to protein (L/P) and lipid to phosphates using attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy which showed higher L/P ratio during the stationary phase of algal growth. Composition analysis of fatty acid methyl ester has been performed using gas chromatography and mass spectrometry. Chlorococcum sp. with higher productivity and faster growth rate has higher lipid content with about 67% of saturated fatty acid dominated by palmitate (36.3%) followed by an unsaturate as linoleate (14%) and has proved to be an economical and viable feedstock for biofuel production compared to the other wastewater-grown species.

Scale-dependent relationships between tree species richness and ecosystem function in forests

1. The relationship between species richness and ecosystem function, as measured by productivity or biomass, is of long-standing theoretical and practical interest in ecology. This is especially true for forests, which represent a majority of global biomass, productivity and biodiversity. 2. Here, we conduct an analysis of relationships between tree species richness, biomass and productivity in 25 forest plots of area 8-50ha from across the world. The data were collected using standardized protocols, obviating the need to correct for methodological differences that plague many studies on this topic. 3. We found that at very small spatial grains (0.04ha) species richness was generally positively related to productivity and biomass within plots, with a doubling of species richness corresponding to an average 48% increase in productivity and 53% increase in biomass. At larger spatial grains (0.25ha, 1ha), results were mixed, with negative relationships becoming more common. The results were qualitatively similar but much weaker when we controlled for stem density: at the 0.04ha spatial grain, a doubling of species richness corresponded to a 5% increase in productivity and 7% increase in biomass. Productivity and biomass were themselves almost always positively related at all spatial grains. 4. Synthesis. This is the first cross-site study of the effect of tree species richness on forest biomass and productivity that systematically varies spatial grain within a controlled methodology. The scale-dependent results are consistent with theoretical models in which sampling effects and niche complementarity dominate at small scales, while environmental gradients drive patterns at large scales. Our study shows that the relationship of tree species richness with biomass and productivity changes qualitatively when moving from scales typical of forest surveys (0.04ha) to slightly larger scales (0.25 and 1ha). This needs to be recognized in forest conservation policy and management.

Bioremediation and lipid synthesis through mixotrophic algal consortia in municipal wastewater

Algae grown in outdoor reactors (volume: 10 L and depth: 20 cm) were fed directly with filtered and sterilised municipal wastewater. The nutrient removal efficiencies were 86%, 90%, 89%, 70% and 76% for TOC, TN, NH4-N, TP and OP, respectively, and lipid content varied from 18% to 28.5% of dry algal biomass. Biomass productivity of similar to 122 mg/l/d (surface productivity 24.4 g/m(2)/d) and lipid productivity of similar to 32 mg/l/d were recorded. Gas chromatography and mass spectrometry (GC-MS) analyses of the fatty acid methyl esters (FAME) showed a higher content of desirable fatty acids (bearing biofuel properties) with major contributions from saturates such as palmitic acid C16:0; similar to 40%] and stearic acid C18:0; similar to 34%], followed by unsaturates such as oleic acid C18:1(9); similar to 10%] and linoleic acid C18:2(9,12); similar to 5%]. The decomposition of algal biomass and reactor residues with an exothermic heat content of 123.4 J/g provides the scope for further energy derivation. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

NOAA Coastal Change Analysis Program (C-CAP): Guidance for Regional Implementation

EXECUTIVE SUMMARY: The Coastal Change Analysis Programl (C-CAP) is developing a nationally standardized database on landcover and habitat change in the coastal regions of the United States. C-CAP is part of the Estuarine Habitat Program (EHP) of NOAA's Coastal Ocean Program (COP). C-CAP inventories coastal submersed habitats, wetland habitats, and adjacent uplands and monitors changes in these habitats on a one- to five-year cycle. This type of information and frequency of detection are required to improve scientific understanding of the linkages of coastal and submersed wetland habitats with adjacent uplands and with the distribution, abundance, and health of living marine resources. The monitoring cycle will vary according to the rate and magnitude of change in each geographic region. Satellite imagery (primarily Landsat Thematic Mapper), aerial photography, and field data are interpreted, classified, analyzed, and integrated with other digital data in a geographic information system (GIS). The resulting landcover change databases are disseminated in digital form for use by anyone wishing to conduct geographic analysis in the completed regions. C-CAP spatial information on coastal change will be input to EHP conceptual and predictive models to support coastal resource policy planning and analysis. CCAP products will include 1) spatially registered digital databases and images, 2) tabular summaries by state, county, and hydrologic unit, and 3) documentation. Aggregations to larger areas (representing habitats, wildlife refuges, or management districts) will be provided on a case-by-case basis. Ongoing C-CAP research will continue to explore techniques for remote determination of biomass, productivity, and functional status of wetlands and will evaluate new technologies (e.g. remote sensor systems, global positioning systems, image processing algorithms) as they become available. Selected hardcopy land-cover change maps will be produced at local (1:24,000) to regional scales (1:500,000) for distribution. Digital land-cover change data will be provided to users for the cost of reproduction. Much of the guidance contained in this document was developed through a series of professional workshops and interagency meetings that focused on a) coastal wetlands and uplands; b) coastal submersed habitat including aquatic beds; c) user needs; d) regional issues; e) classification schemes; f) change detection techniques; and g) data quality. Invited participants included technical and regional experts and representatives of key State and Federal organizations. Coastal habitat managers and researchers were given an opportunity for review and comment. This document summarizes C-CAP protocols and procedures that are to be used by scientists throughout the United States to develop consistent and reliable coastal change information for input to the C-CAP nationwide database. It also provides useful guidelines for contributors working on related projects. It is considered a working document subject to periodic review and revision.(PDF file contains 104 pages.)

内蒙古典型温带草原植物功能群去除对土壤氮矿化的影响

由于人为因素导致的全球范围内的第六次物种大灭绝已经成为不争的事实，但人类还不清楚这种现象对生态系统功能的影响。在回答生物多样性与生态系统功能关系的问题上，补偿作用是一个争论的热点。为了阐明生物多样性对生态系统功能的影响，于2005年夏开始，在内蒙古温带典型草原开展了一个研究生物多样性与生态系统功能的物种去除试验。本研究是该项目的一部分。 元素循环是生态系统的重要功能之一，而氮素是限制草地生态系统生产力的主要因素，氮矿化是氮循环的关键步骤，因此，本研究重点讨论植物功能群对土壤氮矿化作用的影响，提出3点假设：1. 不同植物功能群对土壤氮矿化速率影响不同；2. 植物功能群去除前后氮矿化速率不同；3.植物功能群之间存在补偿效应。为了证明这些假设，于2006年9月、2007年6月和2007年8月份分别进行了室内培养（温度25℃，湿度60％田间最大持水量）用于测量氮矿化速率，同时于2007年6月和2007年8月份进行野外培养用于测量野外条件下的氮矿化速率，并在去除处理2年后得到以下主要结果： 1.　植物功能群去除数与土壤氮矿化速率呈单峰曲线关系（P<0.05），去除少量植物功能群氮矿化速率上升，去除更多的植物功能群后氮矿化速率下降； 2.　植物功能群去除数与土壤硝态氮含量呈线性正相关关系（P<0.0001），植物功能群的丧失加剧了土壤NO3--N的流失； 3.　多年生非禾草（PF）比其他植物功能群显著降低了氮矿化速率（P<0.05）； 4.　短期内（去除处理1年内）在凋落物回填的情况下，去除0个植物功能群与去除全部植物功能群的氮矿化速率无显著差异（P>0.05）； 5.　内蒙古温带典型草原在近3年内（2005、2006、2007）土壤碳库、氮库变化较小。

Growth kinetics of 1-2 mm and 3-4 mm colonies of Nostoc sphaeroides (Cyanophyta) in outdoor culture

Nostoc sphaeroides Kutzing was cultivated in paddlewheel-driven raceway ponds and the growth kinetics of 1-2 mm and 3-4 mm colonies of N. sphaeroides was studied. The biomass productivities in 2.5 m(2) raceway ponds inoculated with 1-2 mm and 3-4 mm colonies were 5.2 and 0.25 g dry wt m(-2) stop d(-1), respectively. Furthermore, differently sized colonies showed different relative water content, total soluble carbohydrates, chlorophyll a content and density of filaments. This is the first report on mass culture of N. sphaeroides under outdoor conditions.

STUDIES ON THE PURIFICATION AND RECLAMATION OF WASTE-WATER FROM A MEDIUM-SIZED CITY BY AN INTEGRATED BIOLOGICAL POND SYSTEM

The feasibility of an inexpensive wastewater treatment system is evaluated in this study. An integrated biological pond system was operated for more than 3 years to purify the wastewater from a medium-sized city, Central China. The experiment was conducted in 3 phases with different treatment combinations for testing their purification efficiencies. The pond system was divided into 3 functional regions: influent purification, effluent upgrading and multi-utilization. These regions were further divided into several zones and subzones. Various kinds of aquatic organisms, including macrophytes, algae, microorganisms and zooplankton, were effectively cooperating in the wastewater treatment in this system. The system attained high reductions of BOD5, COD, TSS, TN, TP and other pollutants. The purification efficiencies of this system were higher than those of most traditional oxidation ponds or ordinary macrophyte ponds. The mutagenic effect and numbers of bacteria and viruses declined significantly during the process of purification. After the wastewater flowed through the upgrading zone, the concentrations of pollutants and algae evidently decreased. Plant harvesting did not yield dramatic effects on reductions of the main pollutants, though it did significantly affect the biomass productivity of the macrophytes. The effluent from this system could be utilized in irrigation and aquaculture. Some aquatic products were harvested from this system and some biomass was utilized for food, fertilizer, fodder and some other uses. The wastewater was reclaimed for various purposes.

不同放牧强度下高山草甸生态系统碳氮分布格局和循环过程研究

本研究针对川西北高山草甸缺乏科学管理，过度放牧导致草场退化，并由此引发的一系列生态环境问题，选取红原县瓦切乡1996 年草地承包后形成的四个放牧强度草场，即不放牧、轻度（1.2 头牦牛hm-1）、中度（2.0 头牦牛hm-1）和重度放牧（2.9 头牦牛hm-1），作为研究对象，研究了不同放牧强度对草地植物-土壤系统中碳、氮这两个最基本物质的分布格局和循环过程的影响，并探讨了放牧干扰下高山草甸生态系统的管理。 1．放牧对草地植物群落物种组成，尤其是优势种，产生了明显的影响。不放牧、轻度、中度和重度放牧草地群落物种数分别为22，23，26，20 种，群落盖度分别是不放牧96.2%＞中度93.6%＞轻度89.7%＞重度73.6%。随放牧强度的增加， 原植物群落中的优势种垂穗鹅冠草（ Roegneria nutans ）、发草（Deschampsia caespitosa）和垂穗披碱草（Elymus nutans）等禾草逐渐被莎草科的川嵩草（Kobresia setchwanensis）和高山嵩草（Kobresia pygmaea）所取代成为优势种。同时，随放牧强度的增加，高原毛茛（Ranunculus brotherusii）、狼毒（Stellera chamaejasme）、鹅绒委陵菜（Potentilla anserina）和车前（Plantagodepressa）等杂类草的数量也随之增加。 2．生长季6～9 月份，草地植物地上和地下生物量（0～30cm）都是从6 月份开始增长，8 月份达到最高值，9 月份开始下降。每个月份，通常地上生物量以不放牧为最高，重度放牧总是显著小于不放牧；地下生物量随放牧强度的增加表现为增加的趋势，通常重度和中度放牧显著高于不放牧和轻度放牧草地。不放牧、轻度、中度和重度放牧草地6～9 月份4 个月的植物总生物量平均值分别是1543、1622、2295 和2449 g m-2，但随放牧强度的增加越来越来多的生物量被分配到了地下部分，地下生物量占总生物量比例的大小顺序分别是重度88%＞中度82%＞轻度76%＞不放牧69%。生物量这种变化主要是由于放牧使得群落优势种发生改变而引起的，其分配比例的变化体现了草地植物对放牧干扰的适应策略。 3．植物碳氮贮量的季节变化类似与生物量的变化。每个月份，不同放牧强度间植物地上碳氮的贮量有所不同，一般重度放牧会显著减少植物地上碳氮贮量。植物根系(0～30cm)碳氮贮量随放牧强度的增加表现为增加的趋势，通常重度和中度放牧显著高于不放牧和轻度放牧草地。不放牧、轻度、中度和重度放牧草地6～9 月份4 个月的植物总碳平均值分别是547、586、847 和909 g m-2，根系碳贮量占植物总碳的比例大小顺序分别是重度88%＞中度82%＞轻度76%＞不放牧69%；放牧、轻度、中度和重度放牧草地6～9 月份4 个月的植物总氮平均值分别是17、17、23 和26 g m-2，根系氮贮量占植物总氮的比例大小顺序分别是重度79%＞轻度71%＞中度70%＞不放牧65%。 4. 土壤有机碳贮量（0～30cm）的季节变化表现为7 月份略有下降，8 月开始增加，9 月份达到的最大值。土壤氮贮量的季节变化表现为随季节的推移逐渐增加的趋势。增加的放牧强度不同程度的增加土壤有机碳氮的贮量。不放牧、轻度、中度和重度放牧6～9 月份4 个月的土壤有机碳贮量的平均值分别是9.72、10.36、10.62 和11.74 kg m-2，土壤氮贮量分别为1.45、1.56、1.66 和1.83 kg m-2。土壤中有机碳（氮）的贮量都占到了植物-土壤系统有机碳（氮）的90%以上，但不同放牧强度之间的差异不明显。 5. 土壤氮的总硝化和反硝化，温室气体N2O 和CO2 的释放率的季节变化表现为从6 月份开始增加，7 月份达到最大值，8 月份开始下降，9 月份降为最小值。增加的放牧强度趋向于增加土壤氮的总硝化和反硝化作用，温室气体N2O和CO2 的释放率，通常情况下，中度放牧和重度放牧显著地加强了这些过程。 6．垂穗鹅冠草（Roegneria nutans）和川嵩草（Kobresia setchwanensis）凋落物在不同放牧强度下经过1 年的分解，两种凋落物的失重率及其碳氮的损失率3都随放牧增加表现为增加的趋势。在同一放牧强度下，川嵩草凋落物的失重率和碳氮的损失率都高于垂穗鹅冠草凋落物。 7. 尽管重度放牧显著增加了土壤碳氮的贮量，但同时也显著降低了植被群落盖度，降低了植物地上生物量，因此，久而久之会减少植物向土壤中的碳氮归还率；与不放牧和轻度放牧相比，重度放牧又显著增加了土壤CO2 和NO2 的排放量，这是草地生态系统碳氮损失的重要途径。由此可见，对于这些地处青藏高原的非常脆弱的高山草甸生态系统，长期重度放牧不仅导致植物生产力降低，而且将导致草地生态系统退化，甚至造成土壤中碳氮含量减少。 Long-term overgrazing has resulted in considerable deterioration in alpine meadowof the northwest Sichan Province. In order to explore management strategies for thesustainability of these alpine meadows, we selected four grasslands with differentgrazing intensity (no grazing-NG: 0, light grazing-LG: 1.2, moderate grazing-MG: 2.0,and heavy grazing-HG: 2.9 yaks ha-1) to evaluate carbon, nitrogen pools and cyclingprocesses within the plant-soil system in Waqie Village, Hongyuan County, Sichuan Province. 1. Grazing obviously changed the plant species composition, especially ondominant plant species. Total number of species is 22, 23, 26, and 20 for NG, LG, MGand HG, respectively. Vegetation coverage under different grazing intensity ranked inthe order of 96.2% for HG＞93.6% for MG＞89.7% for LG＞73.6% for NG. Thedominator of HG community shifted from grasses-Roegneria nutans andDeschampsia caespitosa dominated in the NG and LG sites into sedges-Kobresiapygmaea and K. setchwanensis. At the same time, with the increase of grazingintensity, the numbers of forbs, such as Ranunculus brotherusii, Stellera chamaejasme,Potentilla anserine and Plantago depressa, increased with grazing intensity. 2. Over the growing season, aboveground and belowground biomass showed a 5single peak pattern with the highest biomass in August. For each month, abovegroundbiomass usually was the highest in the NG site and lowest in the HG site.Belowground biomass showed a trend of increase as grazing intensity increased and itwas significantly higher in the HG and MG site than in the NG and LG sites. Totalplant biomass averaged over the growing season is 1543, 1622, 2295 and 2449 g m-2for NG, LG, MG and HG, respectively. The proportion of biomass to total plantbiomass for NG, LG, MG and HG is 88%, 82%, 76% and 69%, respectively. Higherallocation ratio for is an adaptive response of plant to grazing. 3. Carbon and nitrogen storage in plant components followed the similar seasonalpatterns as their biomass under different grazing intensities. Generally, heavy grazingsignificantly decreases aboveground biomass carbon and nitrogen compared to nograzing. Carbon and nitrogen storage in root tended to increase as grazing increasedand they are significantly higher in the HG and MG sites compared to the LG and NGsite. Total Carbon storage in plant system averaged over the growing season is 547,586, 847 and 909 g m-2 for NG, LG, MG and HG, respectively, while 17, 17, 23 and 26g m-2 for nitrogen. The proportion of carbon storage in root to total plant carbon forNG, LG, MG and HG is 88%, 82%, 76%, 69%, respectively, while 65%, 71%, 70%and 79% for nitrogen. 4. Carbon storage in soil (0-30cm) decreased slightly in July, then increased inAugust and peaked in September. Nitrogen storage in soil tended to increase withseason and grazing intensity. Total Carbon storage in soil averaged over the growingseason is 9.72, 10.36, 10.62 and11.74 kg m-2 for NG, LG, MG and HG, respectively,while 1.45, 1.56, 1.66 and 1.83 for nitrogen. The proportion of carbon (nitrogen)storage in soil to plant-soil system carbon (nitrogen) storage for NG, LG, MG and HGis more than 90%, which is not markedly different among different grazing intensities. 5. Gross nitrification, denitrification, CO2 and N2O flux rates in soil increasedfrom June to July and then declined until September, all of which tended to increasewith the increase of grazing intensity. Generally, heavy and moderate grazing intensitysignificantly enhanced these process compared to no and light grazing intensity. 6. After decomposing in situ for a year, relative weight, carbon and nitrogen loss in the litter of Roegneria nutans and Kobresia setchwanensis tended to increase asgrazing intensity increased. Under the same grazing intensity, relative weight, carbonand nitrogen loss in the litter of Kobresia setchwanensis were higher than these in thelitter of Roegneria nutans. 7. Although heavy grazing intensity resulted in higher levels of carbon andnitrogen in plant and soil, it decreased vegetation coverage and aboveground biomass,which are undesirable for livestock production and sustainable grassland development.What is more, heavy grazing could also introduce potential carbon and nitrogen lossvia increasing CO2 and N2O emission into the atmosphere. Grazing at moderateintensity resulted in a plant community dominated by forage grasses with highaboveground biomass productivity and N content. The alpine meadow ecosystems inTibetan Plateau are very fragile and evolve under increasing grazing intensity by largeherbivores; therefore, deterioration of the plant-soil system, and possible declines insoil C and N, are potential without proper management in the future.

Effect of carbon source on growth and lipid accumulation in Chlorella sorokiniana GXNN01

Heterotrophic culture of microalgae to develop methods of increasing biomass productivity and storage lipids has brought new insight to commercial biodiesel production. To understand the relationship between heterotrophy and lipid production, the effects of carbon sources on the growth and lipid accumulation of Chlorella sorokiniana GXNN01 was studied. The alga exhibited an increased growth rate in response to the addition of carbon sources, which reached the stationary phase after 48 h at 30A degrees C. In addition, glucose and NaAc had a significant effect on the lipid accumulation during the early-stationary phase. Specifically, the lipid content was 0.237 +/- 0.026 g g(-1) cell dry weight and 0.272 +/- 0.041 g L-1 when glucose was used as the carbon source, whereas the lipid content reached 0.287 +/- 0.018 g g(-1) cell dry weight and 0.288 +/- 0.008 g L-1 when NaAc was used as the carbon source. The neutral lipid content was found to first decrease and then increase over time during the growth phase. A glucose concentration of 20 mmol L-1 gave the maximal lipid yield and the optimum harvest time was the early-stationary phase.

Effect of iron on growth and lipid accumulation in Chlorella vulgaris

The economic feasibility of algal mass culture for biodiesel production is enhanced by the increase in biomass productivity and storage lipids. Effect of iron on growth and lipid accumulation in marine microalgae Chlorella vulgaris were investigated. In experiment I, supplementing the growth media with chelated FeCl3 in the late growth phase increased the final cell density but did not induce lipid accumulation in cells. In experiment II, cells in the late-exponential growth phase were collected by centrifugation and re-inoculated into new media supplemented with five levels of Fe3+ concentration. Total lipid content in cultures supplemented with 1.2 x 10(-5) mol L-1 FeCl3 was up to 56.6% biomass by dry weight and was 3-7-fold that in other media supplemented with lower iron concentration. Moreover, a simple and rapid method determining the lipid accumulation in C. vulgaris with spectrofluorimetry was developed. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrological and photochemical influence on dynamics of estuarine bacteria

Os estuários são ecossistemas complexos, onde os processos físicos, químicos e biológicos estão intimamente ligados. A dinâmica bacteriana num estuário reflete a interação e a elevada variação temporal e espacial desses processos. Este trabalho teve como objetivo elucidar as interações entre os processos físicos, fotoquímicos e microbiológicos no sistema estuarino da Ria de Aveiro (Portugal). Para tal, foi realizada uma abordagem inicial no campo, durante a qual as comunidades bacterianas na coluna de água foram caracterizadas em termos de abundância e atividade ao longo de 2 anos. O estudo foi realizado em dois locais distintos, escolhidos por tipificarem as características marinhas e salobras do estuário. Estes locais possuem diferentes hidrodinâmicas, influências fluviais e, quantidade e composição de matéria orgânica. Numa perspectiva mecanicista, foram realizadas simulações laboratoriais no sentido de elucidar a resposta das bactérias à matéria orgânica foto-transformada. As comunidades bacterianas no estuário adaptam-se a diferentes regimes de água doce, desenvolvendo padrões de abundância e atividade distintos nas zonas marinha e salobra. Os elevados caudais dos rios induzem estratificação vertical na zona marinha, promovendo o fluxo de fitoplâncton do mar para o estuário, do bacterioplâncton do estuário para o mar, e estimulam a importação de bactérias aderentes a partículas na zona salobra. O transporte advectivo e os processos de ressuspensão contribuem para aumentar 3 vezes o número de bactérias aderentes a partículas durante os períodos de intensas descargas fluviais. Adicionalmente, a atividade bacteriana no estuário é controlada pela concentração de azoto inerente à variações de água doce. O fornecimento de azoto em associação com a fonte dos substratos bacterianos induzem alterações significativas na produtividade. O padrão de variação vertical de comunidades bacterianas foi distinto nas duas zonas do estuário. Na zona marinha, as bactérias na microcamada superficial (SML) apresentaram taxas de hidrólise mais elevadas, mas menores taxas de incorporação de monómeros e produção de biomassa que na água subjacente (UW), enquanto na zona salobra, as taxas de hidrólise e incorporação foram similares nos dois compartimentos, mas a produtividade foi significativamente mais elevada na SML. Apesar da abundância bacteriana ter sido semelhante na SML e UW, a fração de células aderentes a partículas foi significativamente maior na SML (2-3 vezes), em ambas as zonas do estuário. A integração dos resultados microbiológicos com as variáveis ambientais e hidrológicos mostraram que fortes correntes na zona marinha promovem a mistura vertical, inibindo o estabelecimento de uma comunidade bacteriana na SML distinta da UW. Em contraste, na zona de água salobra, a menor velocidades das correntes fornece as condições adequadas ao aumento da atividade bacteriana na SML. Características específicas do local, tais como a hidrodinâmica e as fontes e composição da matéria orgânica, conduzem também a diferentes graus de enriquecimento superficial de matéria orgânica e inorgânica, influenciando a sua transformação. Em geral, o ambiente da SML estuarina favorece a hidrólise de polímeros, mas inibe a utilização de monómeros, comparativamente com água subjacente. No entanto, as diferenças entre as duas comunidades tendem a atenuar-se com o aumento da atividade heterotrófica na zona salobra. A matéria orgânica dissolvida cromófora (CDOM) das duas zonas do estuário possui diferentes características espectrais, com maior aromaticidade e peso molecular médio (HMW) na zona de água salobra, em comparação com a zona marinha. Nesta zona, a abundância bacteriana correlacionou-se com a350 e a254, sugerindo uma contribuição indireta das bactéria para HMW CDOM. A irradiação do DOM resultou numa diminuição dos valores de a254 e a350, e, em um aumento do declive S275-295 e dos rácios E2:E3 (a250/a365) e SR. No entanto, a extensão de transformações foto-induzidas e as respostas microbianas são dependentes das características iniciais CDOM, inferidas a partir das suas propriedades ópticas. A dinâmica estuarina influencia claramente as atividades heterotróficas e a distribuição dos microorganismos na coluna de água. A entrada de água doce influencia a dinâmica e os principais reguladores das comunidades bacterianas no estuário. Os processos fotoquímicos e microbianos produzem alterações nas propriedades ópticas da CDOM e a combinação desses processos determina o resultado global e o destino da CDOM nos sistemas estuarinos com influência na produtividade nas áreas costeiras adjacente.

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Ecology And Seasonal Variation Of Microalgal Community In An Oil Refinery Effluent Holding Pond: Monitoring And Assessment

The microalgal community as primary producers has to play a significant role in the biotic and abitoic interactions of any aquatic ecosystem. Whenever a community is exposed to a pollutant, responses can occur because individuals acclimate to pollutant caused changes and selection can occur favouring resistant genotypes within a population and selection among species can result in changes in community structure. The microalgal community of industrial effluent treatment systems are continuously exposed to pollutants and there is little data available on the structure and seasonal variation of microalgal community of industrial effluent holding ponds, especially of a complex effluent like that of refinery. The aim of the present study was to investigate the annual variation in the ecology, biomass, productivity and community structure of the algal community of a refinery effluent holding pond. The results of the study showed the pond to be a eutrophic system with a resistant microalgal community with distinct seasonal variation in species composition