Making Mountains out of Molehills: works for small ensembles and solo instruments

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Effet du calcium, plomb et cuivre sur la bioaccumulation du cadmium et la production des phytochélatines par Chlamydomonas reinhardtii

Dans les milieux contaminés par les métaux, les organismes vivants sont exposés à plusieurs d’entre eux en même temps. Les modèles courants de prédiction des effets biologiques des métaux sur les organismes (p. ex., modèle du ligand biotique, BLM ; modèle de l’ion libre, FIAM), sont des modèles d’équilibre chimique qui prévoient, en présence d'un deuxième métal, une diminution de la bioaccumulation du métal d’intérêt et par la suite une atténuation de ses effets. Les biomarqueurs de toxicité, tels que les phytochélatines (PCs), ont été utilisés comme étant un moyen alternatif pour l’évaluation des effets biologiques. Les phytochélatines sont des polypeptides riches en cystéine dont la structure générale est (γ-glu-cys)n-Gly où n varie de 2 à 11. Leur synthèse semble dépendante de la concentration des ions métalliques ainsi que de la durée de l’ exposition de l’organisme, aux métaux. L'objectif de cette étude était donc de déterminer, dans les mélanges binaires de métaux, la possibilité de prédiction de la synthèse des phytochélatines par les modèles d’équilibres chimiques, tel que le BLM. Pour cela, la quantité de phytochélatines produites en réponse d’une exposition aux mélanges binaires : Cd-Ca, Cd-Cu et Cd-Pb a été mesurée tout en surveillant l’effet direct de la compétition par le biais des concentrations de métaux internalisés. En effet, après six heures d’exposition, la bioaccumulation de Cd diminue en présence du Ca et de très fortes concentrations de Pb et de Cu (de l’ordre de 5×10-6 M). Par contre, avec des concentrations modérées de ces deux métaux, le Cd augmente en présence de Cu et ne semble pas affecté par la présence de Pb. Dans le cas de la compétition Cd-Cu, une bonne corrélation a été observée entre la production de PC2, PC3 et PC4 et la quantité des métaux bioaccumulés. Pour la synthèse des phytochélatines et la bioaccumulation, les effets étaient considérés comme synergiques. Dans le cas du Cd-Ca, les quantités de PC3 et PC4 ont diminué avec le métal internalisé (effet antagoniste), mais ce qui était remarquable était la grande quantité de cystéine (GSH) et PC2 qui ont été produites à de fortes concentrations du Ca. Le Pb seul n’a pas induit les PCs. Par conséquent, il n’y avait pas de variation de la quantité de PCs avec la concentration de Pb à laquelle les algues ont été exposées. La détection et la quantification des PCs ont été faites par chromatographie à haute performance couplée d’un détecteur de fluorescence (HPLC-FL). Tandis que les concentrations métalliques intracellulaires ont été analysées par spectroscopie d’absorption atomique (AAS) ou par spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif (ICP-MS).

La neurotoxicité développementale associée au méthylmercure, au plomb et aux biphényles polychlorés : l’attention et le traitement visuel à l’étude

L’influence des contaminants environnementaux (CE) a été largement étudié en contexte d’exposition aigüe et d’intoxication. Qu’en est-il d’une exposition chronique à plus faibles doses sur le développement cognitif et sensoriel des enfants? Les études longitudinales de la présente thèse ont été réalisées au Nunavik. Bien que géographiquement éloignée des centres industriels, la communauté inuite est exposée aux CE via leur transport par les courants atmosphériques et océaniques ainsi que par leur bioaccumulation dans le poisson et les mammifères marins. Puisque l’alimentation autochtone traditionnelle, notamment la chair de béluga, est encore fréquemment consommée par la communauté, une proportion substantielle d’enfants inuits est exposée in utero aux CE. Ceux-ci sont également continuellement exposés à ces agents neurotoxiques durant leur développement postnatal. Or, la variation considérable dans l’adoption de l’alimentation traditionnelle au sein de la communauté représente une opportunité pour étudier la relation entre les niveaux d’exposition aux CE et le développement cognitif et sensoriel des enfants. Bien que certains déficits aient déjà été mis en lien avec l’exposition chronique aux CE dans la littérature, la présente thèse s’intéressa à cette relation plus spécifiquement chez les enfants inuits vivant dans le Grand Nord et plus exposés aux CE en raison de leur alimentation. Par ailleurs, les protocoles qui ont été développés pour cette thèse permettront d’évaluer des aspects qui ont été peu étudiés en lien avec les CE, soit l’attention visuospatiale et le traitement visuel cérébral précoce. Dans le premier volet de cette thèse, la relation entre trois CE et l’attention visuospatiale a été étudiée à l’aide d’une version adaptée de la tâche de Posner (M.I. Posner et al., 1980). Cette tâche psychophysique a été administrée à des enfants inuits (âge moyen = 11.2 ans) dont les niveaux d’exposition au mercure (Hg), au plomb (Pb) et aux biphényles polychlorés (BPCs) ont été documentés durant les périodes pré et postnatale. Les expositions in utero au Pb et aux BPCs ont été significativement associées à de l’impulsivité et de l’inattention, respectivement, alors que l’exposition postnatale au Pb a été associée à des temps de réaction plus longs. Bien qu’aucune relation spécifique avec l’attention visuospatiale n’ait été trouvée, les résultats de cette étude suggèrent que l’exposition aux CE est associée à une diminution des capacités attentionnelles générales chez les enfants résidant au Nunavik. Dans le second volet, le traitement cérébral précoce de l’information visuelle a été examiné à l’aide de potentiels évoqués visuels auprès d’enfants de la même communauté (âge moyen = 10.9 ans). La concentration de Hg dans le sang de cordon ombilical mesurée à la naissance a été associée à une réduction de l’amplitude et à une augmentation de la latence de la composante N75. L’exposition prénatale au Pb a quant à elle été associée à un délai dans la latence de la composante N150. Les résultats obtenus suggèrent ainsi que l’exposition aux métaux lourds, en particulier durant la période gestationnelle, serait associée à des altérations dans le développement visuel. Les résultats présentés dans cette thèse soutiennent l’hypothèse selon laquelle le cerveau en développement est vulnérable lors d’une exposition chronique aux CE, et cela même à des niveaux de concentration inférieurs aux limites recommandées par les organismes de santé publique. Les résultats permettent également d’apporter un éclairage nouveau sur les déficits cognitifs et sensoriels associés aux CE.

Coral Reef Ecosystem of Lakshadweep Archipelago –A Biogeochemical Facsimile

The present study focuses on the biochemical aspects of six islands belonging to Lakshadweep Archipelago – namely Kavaratti, Kadamath, Kiltan, Androth, Agathy and Minicoy. Lakshadweep, which is an area biologically significant due to isolation from the major coastline, remains as one of the least studied areas in Indian Ocean. The work, processed out the distributional pattern of trace metals among the biotic (corols, sea weeds and sea grass) and abiotic component (sediments) of ecosystem. An effort is made to picturise the spatial distribution pattern of different forms of nitrogen and phosphorus in the various sedimentary environments of the study area. Studies on the biogeochemical and nutrient aspects of the concerned study area scanty. In Lakshadweep, the local life is very dependent on reefs and its resources. The important stress which produce a threatening effort on the existence for coral reefs are anthropogenic-namely-organic and inorganic pollution from sewage, agricultural and industrial waters, sediment damage from excessive land cleaning, and over exploitation particularly through destructive fishing methods. In addition these one other more localized or less service anthropogenic stress: pollution by oil and other hydrocarbons, complex organic molecular and heavy metal pollution, and destructive engineering practices.

Studies on the Nature and Chemistry of Sediments and Water of Periyar and Chalakudy Rivers, Kerala, India

The present study is an attempt to address issues related to sediment properties like texture, mineralogy and geochemistry as well as water quality of two important rivers of central Kerala-the Periyar and the Chalakudy rivers. The main objectives of the study are to investigate the textural and mineralogical characteristics as well as transportation and depositional mechanisms of the sediments of Periyar and Chalakudy rivers, to find out the geochemical variability of organic carbon, phosphorus and certain major (Na,K,Ca and Mg) and minor/trace(Mn,Pb,Ni,Cr, and Zn) elements in the bulk sediments and mud fraction of these rivers, to evaluate the status of heavy metal pollution registered in the sediments of these rivers, to assess the physico-chemical characteristics and water quality of Periyar and Chalakudy rivers and to estimate the dissolved nutrient flux through the Periyar and Chalakudy rivers into the receiving coastal waters. The granulometric characteristics as well as statistical parameters of the sediments of Periyar and Chalakudy rivers depend on the flow pattern controlled by the gradient of the terrain. Compared to Periyar, fluctuations in the dispersal of particles are more in Chalakudy river. In Periyar river, the P and Fe in bulk sediments show a positive correlation with C-org, while in Chalakudy river, both the elements are related to THM concentration. In general, C-org, Fe and P Shows an increasing trend downstream. In Periyar river, the P and Fe in bulk sediments show a positive correlation with C-org, while in Chalakudy river, both the elements are related to THM concentration. Among these two rivers, the pollution of water is several fold higher in Periyar river due to influx due to influx of considerable quantity of liquid and solid wastes of industrial/domestic/urban origin. Nutrient analysis reveals 2-3 times increase in N and P during monsoon season whereas SiO2-Si shows a decreasing trend.

Age-Dependent Properties of Acid & Alkaline DNases in Chick Brain

Acid and alkaline DNase activities in partially purified preparations from young and old chick brain were measured. The specific activity of acid DNase from old brain was lower by about 50% than that of enzyme from young brain , whereas alkaline DNase exhibited only marginal difference in activity of the two preparations . Study of various properties, viz. heat-stability and effect of exogenous compounds like Mg=', Hgl', Zn=', PHM B , on these enzymes revealed that while acid DNase in old brain is more susceptible to heat and heavy metal ion inhibition , alkaline DNase is devoid of any age-dependent variation in its properties.

Investigations on the cation induced liquid crystalline phases of high molecular weight DNA

Liquid Crystalline DNA is emerging as an active area of research, due to its potential applications in diverse fields, ranging from nanoelectronics to therapeutics. Since, counter ion neutralization is an essential requirement for the expression of LC DNA, and the present level of understanding on the LC phase behavior of high molecular weight DNA is inadequate, a thorough investigation is required to understand the nature and stability of these phases under the influence of various cationic species. The present study is, therefore mainly focused on a comparative investigation of the effect of metal ions of varying charge, size, hydration and binding modes on the LC phase behavior of high molecular weight DNA. The main objectives of the works are investigations on the induction and stabilization of LC phases of high molecular weight DNA by alkali metal ions, investigations on the induction and stabilization of LC phases of high molecular weight DNA by alkaline earth metal ions, effects of multivalent, transition and heavy metal ions on the LC phase behavior of high molecular weight DNA and investigations on spermine induced LC behavior of high molecular weight DNA in the presence of alkali and alkaline earth metal ions. The critical DNA concentration (CD) required for the expression of LC phases, phase transitions and their stability varied considerably when the binding site of the metal ions changed from phosphate groups to the nitrogenous bases of DNA, with Li+ giving the highest stability. Multiple LC phases with different textures, sometimes diffused and unstable or otherwise mainly distinct and clear, were observed on mixing metal ions with DNA solutions, which in turn depended on the charge, size, hydration factor, binding modes, concentration of the metal ions and time. Molecular modeling studies on binding of selected metal ions to DNA supported the experimental findings

HYPOXIC ADAPTATIONS AND CAROTENOIDS OF TWO INTERTIDAL MOLLUSCS

The present investigation is to find the hypoxic adaptations and role of carotenoids in the anaerobic catabolism of two intertidal bivalves-Sunetta scripta and Perna viridis. Physiological and cytological responses during hypoxic stress have been studied and compared to that of sublethal heavy metal (copper) exposure using two indices : total carotenoid concentration and accumulation of lipofuscin granules. A close similarity has been observed between hypoxic exposed and copper (sublethal) exposed animals regarding the total carotenoid concentration and lipofuscin accumulation. In the case of S.scripta, the total caroteniod increase at 48h of both hypoxic and heavy metal exposure was found to be nearly 40% greater than that of the control (0h). Whereas in P.viridis, the increment in the total carotenoid concentration at 48h of hypoxic exposure and 48h of heavy metal exposure were found to be nearly 87% and 95% higher than that of the control (0h) respectively.Regarding the lipofuscin accumulation, in both S.scripta and P.viridis , the characteristic features of the granule at 48h of hypoxia is very much similar to that observed at 48h of heavy metal exposure. Thus, the present study suggests that the increase in carotenoid concentration and lipofuscin accumulation expressed by bivalves under heavy metal stress can be due to the indirect effect of hypoxia.

INDIAN AND ANTARCTIC BRYOZOANS - TAXONOMY AND OBSERVATIONS ON TOXICOLOGY

This thesis embodies findings on a taxonomical investigation of a group of lower marine invertebrates belonging to the category coelomata. Bryozoans are well known both in fossil and recent taxonomical history. They comprise of about 5,000 living and 16000 fossil species. Bryozoans are well known for their taxonomic abundance and structural diversity,representing the various ecological niches ranging from the intertidal to the abyssal benthic. At a time when global marine biological diversity has become a concern of not only to the scientists but also to the policy makers,an understanding of species diversity and abundance are cardinal aspects of biological studies. Geological time scales which is known that by Pre-Cambrian, marine invertebrate diversity reach the maximum and this diversity has become more comprehensive as time advanced. Taxonomists a vanishing species of scientists have become more concerned in discerning patterns of species diversity. The basic tool for this is identification fo animals. with this idea in mind a detailed study of taxonomy of bryozoan was undertaken . The major part of this thesis is devoted to describe various species of bryozoans with detailed description and ecotypical variations.The pattern of distribution and abundance which are important aspects of animal groups have also been documented. Possible effects of heavy metal contamination on the tolerance and growth of bryozoans, a few species of which have been eliminated from the chronically polluted areas of Cochin backwaters have also been documented.

Cellular and humoral factors involved in defense mechanisms of Fenneropenaeus indicus (H. Milne Edwards, 1837)

The present investigation revealed three types of circulating haemocytes in the haemolymph of F. indicus: hyalinocytes, small-granule haemocytes, and large-granule haemocytes. Intermediate stages indicate the maturing process of a single cell. The presence of enzymes such as peroxidase, phenoloxidase and acid phosphatase in the haemocytes, and the substantial production of oxygen radicals during phagocytosis show that the haemocytes are capable of mounting a fme cellular defense mechanism. The enzyme activities of the serum and the presence of agglutinins in the serum, which may act as opsonins, agglutinate foreign particles and augment phagocytosis, confirm the presence of a superior humoral immune system in F. indicus.Bacterial infection caused considerable variations in the cellular and humoral factors, such as the number of circulating cells and haemagglutinating activity, especially in the initial hours of infection. The total haemocyte count, haemagglutination titer and phenoloxidase enzyme showed significant reductions on bacterial presence and could be used as indicators of bacterial infection.The number of circulating cells showed drastic fluctuation on exposure to pollutants. Nuvan at low concentrations was able to produce changes in the haemolymph factors and in the tissue organization, which implies that the animal is under stress and is easily prone to infections. Exposure to nuvan resulted in significant variation in all of the cellular and humoral factors, especially, the total haemocyte count, percentage of small granule haemocytes, phagocytic activity and the haemagglutinating activity, which might be good indicators of pesticide pollution. Heavy metal exposure caused significant increase in total haemocyte count and reduction in phenoloxidase enzyme activity Even changes in the physio-chemical parameters, such as salinity caused fluctuations in the defense factors, indicating stress in this euryhaline species. The dietary incorporation of a commercial immunostimulant containing P-l,3 glucan resulted in stimulation of some of the humoral defense factors of F indicus, but was time dependent. The modulations, on exposure to various external factors, in the cellular and humoral factors, especially, total haemocyte count, phagocytic activity, haemagglutinating activity and the phenoloxidase and acid phosphatase enzymes suggest that these parameters could be used as indicators of the health status of F indicus, which assist in better monitoring and effective health management of this important cultured species.

Studies on the effect of the organophosphorus pesticide Eka(Rlu) x EC 25 on the bacterial flora of Villorita cyprinoides var. cochinensis (Han1ey)

The thesis is Studies on the Effect or the Obganophosphorus Pesticide Ekalux(R) EC 25 on the Bacterial Flora or Villorita Cyprinoides Var.Cochinensis (Hanley). For the present investigation, the black clam Villorita gyprinoides var. cochinensis (Hanley), a most common clam genus present in this estuarine system has been selected as test organaism and Ekalux (R) EC 25 as toxicant. The aspects dealt with are 1. Total heterotrophic bacterial population, 2. Generic composition, 3. Hydrolytic enzyme producing bacteria, 4. Antibiotic resistance, 5. Heavy metal resistance, 6. The effect of pesticide concentration on the growth of the bacteria and 7. Effect of temperature, pH and sodium chloride on the growth and phosphate release of selected isolates.The samples for the experiment were collected from the Vembanad Lake, near Kumbalam Island during the period of September 1985 to May '86. The THB of the estuarine water and clams contained 6.5 x I04/ml and 2.975 x l06/g respectively, immediately after collection. Untreated water and clam samples showed enormous increase in THB from 0 hr population. The treated samples (water and clams) contained higher THB than 0 hr. In general, THB was observed to increase tremendously in the samples treated with pesticide when compared to their native flora. With reference to various concentrations of pesticides, THB recorded an increase with increase of concentration in water and clam samples.

Biochemical and Biotechnological Studies on the Cyanobacterium Synechocystis salina Wislouch

The group cyanobacteria includes a large number of organisms characterised by a low state of cellular organization. Their cells lack a well defined nucleus. Cell division is by division of the protoplast by an ingrowth of the septum. These organisms are characterised generally by a blue green colouration of the cell, the chief pigments being chlorophyll-a, carotenes, xanthophylls, C phycocyanin and C phycoerythrin. The product of photosynthesis is glycogen. These organisms lack flagellate reproductive bodies and there is a total lack of sexual reproduction. They are also unique because of the presence of murein in the place of cellulose (cell wall) and the absence of chloroplast, mitochondria and endoplasmic reticulum. Just like bacteria some of them possess Plasmids and can fix atmospheric nitrogen. In the present study growth kinetics, heavy metal tolerance, tolerance mechanisms, heavy metal intake, and antibacterial activity of §ynechocystics salina Wislouch - a nanoplanktonic, euryhaline, Cyanobacterium present in Cochin back waters has been carried out for the potential biotechnological application of this organism. _§; salina occur as small spherical cells of 3n diameter (sometimes in pairs) with bluish green colour. The species is characterised by jerky movement of the cells and is structrually similar to other cyanobacteria

Waste Water Treatment Using Low Cost Natural Adsorbents

Heavy metals are major toxic pollutants with severe health effects on humans. They are released into the environment from a variety of industrial activities. Cadmium, lead, zinc, chromium and copper are the most toxic metals of widespread use in industries such as tanning, electroplating, electronic equipment manufacturing and chemical processing plants. Heavy metals contribute to a variety of adverse health environmental effects due to their acute and chronic exposure through air, water and food chain. Conventional treatment methods of metal removal are often limited by their cost and ineffectiveness at low concentrations. Adsorption, the use of inactivated biomass as adsorbents offers an attractive potential alternative to their conventional methods. Mango peel and Alisma plantago aquatica are naturally occurring and abundant biomass can offer an economical solution for metal removal.The Cd(II), Pb(II), Zn(II), Cr(III) and Cu(II) adsorption by milled adsorbents of mango peel and Alisma plantago aquatica were evaluated in batches.

Charakterisierung der mikrobiellen Population und Untersuchungen zum Quorum Sensing in der Rhizosphäre vom Weidelgras (Lolium perenne) auf einer Rückstandshalde der Kaliindustrie

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Dynamik und die Kommunikation innerhalb der mikrobiellen Population der Rhizosphäre von Deutschem Weidelgras (Lolium perenne) untersucht, welches auf einer teilweise rekultivierten Rückstandshalde der Kaliindustrie wuchs. Um die niederschlagsbedingte Auswaschung von Salzen zu reduzieren, wird die Rückstandshalde des Kaliwerks Sigmundshall (in Bokeloh bei Hannover) schrittweise mit dem technogenen Abdecksubstrat REKAL/SAV ummantelt. Dieses weist eine hohe Standfestigkeit und Wasserspeicherkapazität auf und kann zudem begrünt werden, wofür als Pionierpflanze Lolium perenne dient. Durch diese Rekultivierung wird Niederschlag besser gespeichert und über Evapotranspiration wieder in die Luft abgegeben, was letztendlich die Bildung von Salzwasser vermindert. Da das Abdecksubstrat neben alkalischem pH-Wert auch teilweise hohe Schwermetallkonzentrationen aufweist, sollte in der vorliegenden Arbeit erstmals die mikrobielle Rhizosphären-Gemeinschaft in diesem extremen Habitat mittels einer kulturunabhängigen Methode erforscht werden. Zudem wurden erste Untersuchungen angestellt, ob im Substrat die zelldichte-abhängige bakterielle Kommunikation (Quorum Sensing) nachgewiesen werden kann. Mittels extrahierter Gesamt-DNA wurde anhand der 16S rDNA die Analyse des „Terminalen Restriktonsfragmentlängenpolymorphismus“ (TRFLP) verwendet, um die komplexe bakterielle Rhizosphären-Gemeinschaft unter zeitlichen und lokalen Aspekten zu vergleichen. Auftretende Veränderungen bei den bakteriellen Populationen der jeweiligen Proben wurden durch eine Zu- oder Abnahme der auch als Ribotypen bezeichneten terminalen Restriktionsfragmente (TRF) erfasst. Hierbei zeigten sich am Südhang der Halde während der Sommermonate der Jahre 2008 und 2009 zwar Schwankungen in den bakteriellen Gemeinschaftsprofilen, es lagen jedoch keine eindeutigen Dynamiken vor. Im Vergleich zum Südhang der Halde wies der Nordhang eine höhere Ribotyp-Diversität auf, was mit der fortgeschritteneren Rekultivierung dieses Haldenabschnitts zusammenhängen könnte. Zusätzlich wurden Bakterien aus der Rhizosphäre von Lolium perenne isoliert und mithilfe der Biosensoren Agrobacterium tumefaciens A136 pCF218 pCF372 und Chromobacterium violaceum CV026 auf die Produktion von N-Acylhomoserinlactonen (AHLs) überprüft. Diese AHLs werden von Gram-negativen Mikroorganismen als Signalmoleküle verwendet, um ihre Genexpression zelldichteabhängig zu kontrollieren. Von den 47 getesteten Gram-negativen Rhizosphärenisolaten konnten nur bei einem reproduzierbar AHL-Moleküle mithilfe des Reporterstamms A. tumefaciens nachgewiesen werden. Der AHL-Produzent wurde als Pseudomonas fluorescens identifiziert. Mittels dünnschichtchromatographischer Analysen konnten die extrahierten bakteriellen AHL-Moleküle den N-Octanoyl-L-homoserinlactonen zugeordnet werden.