The determination of sinigrin in Brassica, and investigations into the use of allyl-isothiocyanate as a nematicide

The goal of this thesis was to study factors related to the development of Brassica juncea as a sustainable nematicide. Brassica juncea is characterized by the glycoside (glucosinolate) sinigrin. Various methods were developed for the determination of sinigrin in Brassica juncea tissue extracts. Sinigrin concentrations in plant tissues at various stages of growth were monitored. Sinigrin enzymatically breaks down into allylisothiocyanate (AITC). AITC is unstable in aqueous solution and degradation was studied in water and in soil. Finally, the toxicity of AITC against the root-lesion nematode (Pratylenchus penetrans) was determined. A method was developed to extract sinigrin from whole Brassica j uncea tissues. The optimal time of extraction wi th boiling phosphate buffer (0.7mM, pH=6.38) and methanol/water (70:30 v/v) solutions were both 25 minutes. Methanol/water extracted 13% greater amount of sinigrin than phosphate buffer solution. Degradation of sinigrin in boiling phosphate buffer solution (0.13%/minute) was similar to the loss of sinigrin during the extraction procedure. The loss of sinigrin from boiling methanol/water was estimated to be O.Ol%/minute. Brassica juncea extract clean up was accomplished by an ion-pair solid phase extraction (SPE) method. The recovery of sinigrin was 92.6% and coextractive impurities were not detected in the cleaned up extract. Several high performance liquid chromatography (HPLC) methods were developed for the determination of sinigrin. All the developed methods employed an isocratic mobile phase system wi th a low concentration of phosphate buffer solution, ammonium acetate solution or an ion-pair reagent solution. A step gradient system was also developed. The method involved preconditioning the analytical column with phosphate buffer solution and then switching the mobile phase to 100% water after sample injection.Sinigrin and benzyl-glucosinolate were both studied by HPLC particle beam negative chemical ionization mass spectrometry (HPLCPB- NCI-MS). Comparison of the mass spectra revealed the presence of fragments arising from the ~hioglucose moiety and glucosinolate side-chain. Variation in the slnlgrin concentration within Brassica juncea plants was studied (Domo and Cutlass cuItivars). The sinigrin concentration in the top three leaves was studied during growth of each cultivar. For Cutlass, the minimum (200~100~g/g) and maximum (1300~200~g/g) concentrations were observed at the third and seventh week after planting, respectively. For Domo, the minimum (190~70~g/g) and maximum (1100~400~g/g) concentrations were observed at the fourth and eighth week after planting, respectively. The highest sinigrin concentration was observed in flower tissues 2050±90~g/g and 2300±100~g/g for Cutlass and Domo cultivars, respectively. Physical properties of AITC were studied. The solubility of AITC in water was determined to be approximately 1290~g/ml at 24°C. An HPLC method was developed for the separation of degradation compounds from aqueous AITC sample solutions. Some of the degradation compounds identified have not been reported in the literature: allyl-thiourea, allyl-thiocyanate and diallyl-sulfide. In water, AITC degradation to' diallyl-thiourea was favored at basic pH (9.07) and degradation to diallyl-sulfide was favored at acidic pH (4 . 97). It wap necessary to amend the aqueous AITC sample solution with acetonitrile ?efore injection into the HPLC system. The acetonitrile amendment considerably improved AITC recovery and the reproducibility of the results. The half-life of aqueous AITC degradation at room temperature did not follow first-order kinetics. Beginning with a 1084~g/ml solution, the half-life was 633 hours. Wi th an ini tial AITC concentration of 335~g/ml the half-life was 865 hours. At 35°C the half-life AITC was 76+4 hours essentially independent of the iiisolution pH over the range of pH=4.97 to 9.07 (1000~g/ml). AITC degradation was also studied in soil at 35°C; after 24 hours approximately 75% of the initial AITC addition was unrecoverable by water extraction. The ECso of aqueous AITC against the root-lesion nematode (Pratylenchus penetrans) was determined to be approximately 20~g/ml at one hour exposure of the nematode to the test solution. The toxicological study was also performed with a myrosinase treated Brassica juncea extract. Myrosinase treatment of the Brassica juncea extract gave nearly quantitative conversion of sinigrin into AITC. The myrosinase treated extract was of the same efficacy as an aqueous AITC solution of equivalent concentration. The work of this thesis was focused upon understanding parameters relevant to the development of Brassica juncea as a sustainable nematicide. The broad range of experiments were undertaken in support of a research priority at Agriculture and Agri-Food Canada.

Some ecological factors affecting the input and population level of total and faecal coliforms and salmonella in Twelve Mile Creek, Lake Ontario and sewage waters near St. Catharines, Ontario

Some Ecological Factors Affecting the Input and Population Levels of Total and Faecal Coliforms and Salmonella in Twelve Mile Creek, Lake Ontario and Sewage Waters Near St. Catharines, Ontario. Supervisor: Dr. M. Helder. The present study was undertaken to investigate the role of some ecological factors on sewage-Dorne bacteria in waters near St. Catharines, Ontario. Total and faecal coliform levels and the presence of Salmonella were monitored for a period of a year along with determination of temperature, pH, dissolved oxygen, total dissolved solids, nitrate N, total phosphate P and ammonium N. Bacteriological tests for coliform analysis were done according to APHA Standard Methods by the membrane filtration technique. The grab sampling technique was employed for all sampling. Four sample sites were chosen in the Port Dalhousie beach area to determine what bacteriological or physical relationship the sites had to each other. The sample sites chosen were the sewage inflow to and the effluent from the St. Catharines (Port Dalhousie) Pollution Control Plant, Twelve Mile Creek below the sewage outfall and Lake Ontario at the Lakeside Park beach. The sewage outfall was located in Twelve Mile Creek, approximately 80 meters from the creek junction with the beach and piers on Lake Ontario. Twelve Mile Creek normally carried a large volume of water from the WeIland Canal which was diverted through the DeCew Generating Station located on the Niagara Escarpment. An additional sample site, which was thought to be free of industrial wastes, was chosen at Twenty Mile Creek, also in the Niagara Region of Ontarioo 3 There were marked variations in bacterial numbers at each site and between each site, but trends to lower_numbers were noted from the sewage inflow to Lake Ontario. Better correlations were noted between total and faecal coliform population levels and total phosphate P and ammonium N in Twenty Mile Creek. Other correlations were observed for other sample stations, however, these results also appeared to be random in nature. Salmonella isolations occurred more frequently during the winter and spring months when water temperatures were minimal at all sample stations except the sewage inflow. The frequency of Salmonella isolations appeared to be related to increased levels of total and faecal coli forms in the sewage effluent. However, no clear relationships were established in the other sample stations. Due to the presence of Salmonella and high levels of total and faecal coliform indicator organisms, the sanitary quality of Lake Ontario and Twelve Mile Creek at the sample sites seemed to be impaired over the major portion of the study period.

Impacts de la fertilisation phosphatée sur la biodiversité microbienne de sols agricoles

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation.

Étude du rôle spécifique du système à deux composantes PhoBR et du système Pst (phosphate specific transport) dans la virulence d’une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC)

Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC.

A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

Rôle d'AmtB dans la régulation posttraductionnelle de la nitrogénase et le transport de l'ammonium chez Rhodobacter capsulatus

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

Étude transcriptionnelle d'une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC) et son mutant Pst (phosphate specific transport)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Carbon metabolism in transgenic roots with altered levels of hexokinase and triosephosphate isomerase and growing under different nitrogen status

Ce projet a pour but d’évaluer la capacité de la voie des pentoses phosphates (VPP) dans les racines transgéniques de pomme de terre (Solanum tuberosum) modifiées pour exprimer différents niveaux de l'hexokinase (HK) et de la triosephosphate isomérase cytosolique (cTPI). Dans les racines, la VPP alimente la voie de l’assimilation de l’azote en equivalents réducteurs et permet donc la biosynthèse des acides aminés. Le glucose-6-phosphate produit par l’HK est consommé par la partie oxydative de la VPP catalysée par la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PDH) et la 6-phosphogluconate déshydrogénase (6PGDH). Les changements dans l'expression de HK et cTPI peuvent affecter le fonctionnement de la VPP et les mécanismes qui sont liés à l’utilisation des équivalents réducteurs produits par la VPP, comme l'assimilation de l’azote et la synthèse des acides aminés. Afin d’évaluer l’effet des manipulations génétiques de l’HK et de la cTPI sur l’assimilation de l’azote, nous avons cultivé les racines transgéniques sur des milieux contenant des concentrations élevées (7 mM) ou basses (0,7 mM) de nitrate d’ammonium comme source d’azote. Les résultats montrent que la culture sur un milieu riche en azote induit les activités G6PDH et 6PGDH. Les données montrent que la capacité de la VPP est plus grande avec des niveaux élevés en HK ou en cTPI. Nous avons aussi pu démontrer une plus grande activité spécifique de l’HK dans les conditions pauvres en azote. Ces données ont été complémentées par des mesures des pools d’acides aminés dans les racines transgéniques cultivées sur différents niveaux d’azote. Aucune tendance notable des pools d’acides aminés n’a été remarquée dans les racines modifiées pour leur contenu en HK suggèrant que la manipulation de HK n’affecte pas l'assimilation de l’azote. Dans les racines transgéniques modifiées pour la cTPI, les ratios Gln/Glu et Asn/Asp sont plus élevés chez les clones antisens, indiquant une assimilation de l’azote plus élevée. Ces résultats ont démontré l'activation de l'assimilation de l’azote chez les clones antisens cTPI dans les conditions élevées et basses d’azote alors que la manipulation de l’HK n’affecte pas l’assimilation de l’azote.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.