Nietzsche's physiological philosophy of history

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

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Fabrication Of Potentiometric Sensors For The Determination Of Certain Metal Ions

In this study Fabrication of Potentiometric sensors for the determination of certain metal ions, presents the synthesis and characterization of seven ionophores, their use in the fabrication of potentiometric sensors and the results and discussion of fourteen sensors developed for the determination of five transition metal ions. As part of the present investigations a total of fourteen potentiometric sensors have been developed and fabricated. A three fold approach has been taken in developing he sensors, PVC plasticized membrane sensor, carbon paste electrode and chemically modified carbon paste electrode. All the sensors are highly useful in the determination of metal ions such as manganese, nickel, copper, mercury and lead. A through analytical study has been carried out with respect to each other developed. Based on these studies, optimum conditions have been developed for the quantitative determinations of the selected metal ions using the sensors. Systematic application studies have also been carried out for all the developed sensors and the results revealed that the presently developed sensors are far superior than most of the sensors reported.

Evanescent Wave Fibre Optic Sensors for Trace Analysis of Fe3+ in Water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing x-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices

PVC Supported Liquid Membrane and Carbon Paste Potentiometric Sensors Incorporating a Mn(III)-Porphyrin for the Direct Determination of Undissociated Paracetamol

PVC supported liquid membrane and carbon paste potentiometric sensors incorporating an Mn(III)-porphyrin complex as a neutral host molecule were developed for the determination of paracetamol. The measurements were carried out in solution at pH 5.5. Under such conditions paracetamol exists as a neutral molecule. The mechanism of molecular recognition between the Mn(III)-porphyrin and paracetamol, leading to potentiometric signal generation, is discussed.The sensitivity and selectivity toward paracetamol of carbon paste and polymeric liquid membrane electrodes incorporating an Mn(III)-porphyrin host were compared. The applicability of these sensors to the direct determination of paracetamol was checked by performing a recovery test in human plasma.

Fabrication of Potentiometric Sensors for the Selective Determination of Ketoconazole

The fabrication and analytical applications of two types of potentiometric sensors for the determination of ketoconazole (KET) are described. The sensors are based on the use of KET-molybdophosphoric acid (MPA) ion pair as electroactive material. The fabricated sensors include both polymer membrane and carbon paste electrodes. Both sensors showed a linear, stable and near Nernstian slope of 57.8mV=decade and 55.2mV=decade for PVC membrane and carbon paste sensors respectively over a relatively wide range of KET concentration (1×10-2-5×10-5 and 1×10-2-1×10-6). The sensors showed a fast response time of <30 sec and <45 sec. A useful pH range of 3–6 was obtained for both types of sensors. A detection limit of 2.96 10 5M was obtained for PVC membrane sensor and 6.91 10 6M was obtained for carbon paste sensor. The proposed sensors proved to have a good selectivity for KET with respect to a large number of ions. The proposed sensors were successfully applied for the determination of KET in pharmaceutical formulations. The results obtained are in good agreement with the values obtained by the standard method.

Comparative Performance of Two Fiber Optic Ammonia Sensors Employing Different Sensing Materials

The design and fabrication of fiber based ammonia sensors employing Bromothymol blue and Chitosan as sensing elements are presented in this paper. In the presence of ammonia gas the absorption of Bromothymol blue changes while in the case of Chitosan the refractive index changes which in turn modulates the intensity of light propagating through a fiber.

STUDIES ON THE PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL ASPECTS OF OSMOREGULATION IN TWO INTERTIDAL BIVALVE MOLLUSCS

Division of Marine Biology, Microbiology and Biochemistry, School of Marine Sciences, Cochin University of Science and Technology