Système de recombinaison Xer chez Staphylococcus aureus

Le système de recombinaison Xer est impliqué dans la monomerisation des réplicons bactériens, comme les plasmides et les chromosomes, dans une grande variété de bactéries. Ce système est un système de recombinaison site-spécifique composé de deux tyrosine recombinases, soit XerC et XerD. Ils agissent ensemble afin de convertir les chromosomes dimériques en monomères en agissant à un site spécifique près du terminus de la réplication, appelé le site dif. Les gènes Xer et leur site d’action sont identifiés dans plusieurs bactéries gram positives et gram négatives. Staphylococcus aureus représente une bactérie gram positive qui contient un système XerCD/dif. Elle est impliqué dans plusieurs maladies humaines, tels que des infections cutanées, des gastroentérites, et le syndrome de choc toxique, pour en nommer quelques unes. Bien que les gènes codant les protéines XerC et XerD ont été identifiés, il y a beaucoup d’inconnu sur leur mode d’action au site dif. Des mutations dans XerC ont été obtenues, mais aucune dans XerD, suggérant que ce gène pourrait être essentiel pour cet organisme. Les études présentées dans ce mémoire ont permis de commencer à mieux caractériser XerD de S. aureus, en séquençant le gène et en faisant des tests de liaison à l’ADN. Elles ont montré que la recombinase XerD se lie au site dif d’Eschericia coli seul et de façon coopérative avec la recombinase XerC d’E. coli. XerD de S. aureus est, aussi, efficace dans la complémentation de XerD muté d’E. coli dans la réaction de recombinaison chromosomique. Cependant, elle ne démontre pas cette même capacité de complémentation lors de la recombinaison plasmidique aux sites cer.

La place de l’autonomie de l’apprenant en formation ouverte et à distance dans le contexte de l’enseignement supérieur ouest-africain

Les difficultés croissantes de l’enseignement supérieur en matière d’accessibilité aux formations et de disponibilité de filières de qualité, dans les pays en voie de développement de l’Afrique de l’Ouest notamment, conjuguées avec le développement vertigineux des technologies de l’information et de la communication (TIC), suscitent un grand espoir de faire de la formation à distance une solution alternative crédible des formations présentielles (OCDE, 2006). Or, si la littérature s’accorde à reconnaitre aux TIC et l’interactivité qu’elles procurent des facteurs favorisant l’apprentissage (Karsenti, 2006), la réalité du terrain éducatif lui impose de reconnaitre que non seulement la révolution de la formation ouverte et à distance (FOAD) n’est pas encore d’actualité (OCDE, 2006), mais qu’elle ne le sera que si, pour faire face à la distance transactionnelle, plus accrue en formation à distance, l’apprenant ne se contente plus d’apprendre, mais d’apprendre à apprendre, ce qui exige de lui des compétences d’autonomie. Or, malgré des décennies d’intérêt et d’investissement de la recherche, le développement de l’autonomie sur le terrain reste toujours marginal, les débats philosophiques ayant pris le pas sur la quête de solutions pratiques (Albero ,2003). La question de savoir comment les éducateurs de la FOAD utilisent les solutions existantes, censées favoriser l’autonomie de l’apprenant, telles certaines formes de tutorat et de travail de groupes, n’est pas sans intérêt, puisqu’elle permet de mieux comprendre le terrain cible et sa part de responsabilité dans cet insuccès de l’autonomie. S’inscrivant en droite ligne des travaux d’Albero (2003), la présente étude organise les principes d’autonomie suivant un cadre conceptuel privilégiant l’action et le développement, selon une dimension dynamique symbolisant l’importance du soutien à accorder à l’apprenant, une dimension topologique indiquant la nécessité pour ce soutien de prendre en compte les différents aspects sur lesquels l’apprenant peut exercer son autonomie et une dimension chronologique exprimant l’importance du désétayage. De façon pratique, cette étude, démarrée en 2009 dans le contexte de la FOAD du 2IE (Institut International des Ingénieurs de l’Eau et de l’Environnement), sis à Ouagadougou au Burkina Faso, s’organise en trois articles : le premier tente de comprendre si les conditions d’efficacité de la FOAD, selon les apprenants, formulent un besoin d’apprentissage en autonomie; le second tente de comprendre, à partir des propos des tuteurs, si l’encadrement des apprenants respecte les principes d’autonomie; enfin, le troisième article s’est penché, sur la base des intentions exprimées par les concepteurs, sur le respect des principes d’autonomie par les cours. L’éloignement des apprenants et l’objectif de comprendre leurs perceptions de la FOAD, nous ont fait préférer une approche de recherche de type mixte, à la fois qualitative pour mieux comprendre leur perception (Karsenti & Savoie-Zajc, 2004) et quantitative, pour tenir compte de leur éloignement. Pour la perception des éducateurs, nous avons opté pour une approche qualitative/descriptive plus appropriée dès que l’étude vise la compréhension du phénomène social abordé (Karsenti & Savoie-Zajc, 2004). Des résultats obtenus, la perception des 62 apprenants sur les 170 initialement invités par courriel à répondre au questionnaire, semble confirmer l’autonomie de l’apprenant comme une condition de leur réussite en FOAD. La demande des apprenants pour un soutien accru, malgré l’effort actuellement consenti par l’encadrement, effort reconnu par les apprenants eux-mêmes et qu’attestent les 10 tuteurs interviewés sur une quarantaine au 2IE, devrait, toutefois, inviter à la réflexion, puisque ne s’opposant pas réellement à un apprentissage en hétéronomie. À l’analyse, il apparait que l’insatisfaction des apprenants s’expliquerait par la non-prise en compte des différents aspects susceptibles d’influencer leur apprentissage. De plus, en nous référant aux entretiens avec les 11 concepteurs de cours sur un total de 30, il apparait que, bien que conscients de la nécessité d’adapter les cours au contexte de la FOAD, ni la modularité des contenus, ni la flexibilité de la structure des cours ne semblent être prises en compte. Au final, l’étude révèle l’urgence de lutter contre les habitudes acquises en formation présentielle et la nécessité d’employer des pédagogues professionnels formés pour une pédagogie d’autonomisation. Encore faudrait-il que l’autonomie soit véritablement consacrée par la littérature comme une praxis pour signifier qu’elle n’a d’autre fin qu’elle-même, et non comme une poiesis, pour dire que l’autonomie vise une production et cesserait dès que son objectif est atteint.

Les systèmes Xer à une seule recombinase

Les dimères chromosomiques se produisant lors de la réparation de chromosomes circulaires peuvent être dommageables pour les bactéries en bloquant la ségrégation des chromosomes et le bon déroulement de la division cellulaire. Pour remédier à ce problème, les bactéries utilisent le système Xer de monomérisation des chromosomes. Celui-ci est composé de deux tyrosine recombinases, XerC et XerD, qui vont agir au niveau du site dif et procéder à une recombinaison qui aura pour effet de séparer les deux copies de l’ADN. Le site dif est une séquence d’ADN où deux répétitions inversées imparfaites séparées par six paires de bases permettent la liaison de chacune des recombinases. Cette recombinaison est régulée à l’aide de FtsK, une protéine essentielle de l’appareil de division. Ce système a été étudié en profondeur chez Escherichia coli et a aussi été caractérisée dans une multitude d’espèces variées, par exemple Bacillus subtilis. Mais dans certaines espèces du groupe des Streptococcus, des études ont été en mesure d’identifier une seule recombinase, XerS, agissant au niveau d’un site atypique nommée difSL. Peu de temps après, un second système utilisant une seule recombinase a été identifié chez un groupe des epsilon-protéobactéries. La recombinase fut nommée XerH et le site de recombinaison, plus similaire à difSL qu’au site dif classique, difH. Dans cette thèse, des résultats d’expériences in vitro sur les deux systèmes sont présentés, ainsi que certains résultats in vivo. Il est démontré que XerS est en mesure de se lier de façon coopérative à difSL et que cette liaison est asymétrique, puisque XerS est capable de se lier à la moitié gauche du site prise individuellement mais non à la moitié droite. Le clivage par XerS est aussi asymétrique, étant plus efficace au niveau du brin inférieur. Pour ce qui est de XerH, la liaison à difH est beaucoup moins coopérative et n’a pas la même asymétrie. Par contre, le clivage est asymétrique lui aussi. La comparaison de ces deux systèmes montrent qu’ils ne sont pas homologues et que les systèmes Xer à seule recombinase existent sous plusieurs versions. Ces résultats représentent la première découverte d’un espaceur de 11 paires de bases chez les tyrosine recombinases ainsi que la première étude in vitro sur XerH.

Optimisation du vecteur adénoviral pour la thérapie génique de la dystrophie musculaire de Duchenne

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie très sévère, progressive et sans traitement vraiment efficace. Elle est caractérisée par l’absence fonctionnelle de la dystrophine, une protéine essentielle au maintien des muscles squelettiques. La thérapie génique est actuellement envisagée comme approche thérapeutique pour livrer la dystrophine dans les muscles. Les vecteurs adénoviraux de troisième génération (Helper-dependent adenoviral vector, HD) sont des véhicules de transfert génique très prometteurs pour traiter la DMD. Puisque les gènes adénoviraux ont été enlevés complètement du HD, ils sont peu toxiques, faiblement immunogéniques et ils possèdent un espace cargo suffisant pour transporter l’ADN codant complet de la dystrophine. Bien que le HD puisse fournir la dystrophine de façon thérapeutique chez des souris dystrophiques (mdx), l’expression du gène thérapeutique est progressivement perdue plusieurs mois suivant l’injection intramusculaire. Deux stratégies innovantes furent explorées dans cette thèse dans le but de stabiliser l’expression de la dystrophine. La première stratégie vise à l’intégration de l’ADN du HD dans les chromosomes cellulaires, ce qui pourrait le protéger contre son élimination progressive des muscles. Une intégrase site-spécifique issue du phage ΦC31 a été utilisée pour catalyser l’intégration d’un HD transportant un marqueur de sélection. Dans les cellules humaines et les myoblastes murins, l’activité de l’intégrase a été évaluée d’après son efficacité d’intégration (après sélection) et sa spécificité (dans les clones résistants). L’efficacité atteint jusqu’à 0,5 % par cellule et jusqu’à 76 % des événements d’intégration ont été réalisés de façon site-spécifique. Bien que des délétions aient été trouvées aux extrémités du vecteur, 70 % des clones analysés montraient une seule copie du vecteur intégré (le nombre attendu). Seulement une petite augmentation du nombre de brisures double-brin a été mesurée dans les myoblastes exprimant l’intégrase. En conclusion, l’intégration du HD est relativement efficace, spécifique et sécuritaire. Cette méthode est très prometteuse, car la dystrophine peut être livrée dans le muscle avec l’aide du HD et l’intégration de l’ADN du HD pourrait stabiliser son expression in vivo. La deuxième stratégie implique l’utilisation d’un nouveau promoteur musculospécifique (ΔUSEx3) pour réduire la toxicité induite liée à une expression trop étendue de la dystrophine. Dans cette étude, nous avons investigué l’effet du contexte viral sur l’activité du promoteur. Un HD et un vecteur lentiviral (LV) ont été construits avec le promoteur ΔUSEx3 pour contrôler l’expression d’un gène rapporteur. Les résultats démontrent que ΔUSEx3 confère une expression puissante, musculospécifique et stable (via le LV) in vitro. L’injection intramusculaire du HD a conduit à une expression puissante du transgène. Ces résultats contrastent avec ceux du LV, car après l’injection de ce dernier, l’expression était faible. La livraison du HD dans le muscle, mais aussi dans plusieurs organes démontre la musculospécificité de ΔUSEx3. Par conséquent, le contexte du vecteur et l’environnement musculaire modulent tous les deux l’activité de ΔUSEx3. Bien que ΔUSEx3 soit musculospécifique, d’autres études sont requises pour déterminer si le promoteur peut stabiliser l’expression de la dystrophine in vivo.

Pharmacométrie de la ropivacaïne suivant l’anesthésie locorégionale chez les patients orthopédiques : caractérisation de l’intensité et de la durée du bloc sensitif

Introduction & Objectifs : Pour assurer l’analgésie postopératoire, l’anesthésiste dispose, en plus des différentes classes de médicaments administrés par voie orale ou intraveineuse, de diverses techniques pour bloquer l’influx nerveux douloureux en administrant les anesthésiques locaux (AL) de manière centrale ou périphérique. La ropivacaïne (ROP), un AL à longue durée d’action, est un médicament de première intention partout dans le monde, en raison de sa grande efficacité et de son faible risque de toxicité. Contrairement à certains pays, la ROP n'est toujours pas indiquée au Canada pour la rachianesthésie (bloc central) en raison d'un manque de données probantes. Jusqu'à présent, les efforts de recherche ont essentiellement porté sur la sécurité ainsi que sur la durée d’action du médicament lorsqu’administré par voie spinale. De plus, les doses optimales de ROP pour l’anesthésie régionale périphérique ne sont pas encore précisément connues. La posologie devrait être adaptée au site d’administration ainsi qu’à l’intensité et la durée du stimulus produit par la chirurgie. Ultimement, cela permettrait aux cliniciens d’identifier le régime optimal en fonction des facteurs démographiques qui pourraient affecter la pharmacocinétique (PK) et la pharmacodynamie (PD) de l’AL (objectif global de ces travaux). Validation de la Méthode Analytique Manuscrit 1 : Une méthode analytique spécifique et sensible permettant de déterminer les concentrations plasmatiques de ROP a d’abord été optimisée et validée. Validation du Biomarqueur Manuscrit 2 : Nous avons ensuite mis au point et évalué la fiabilité d’une méthode quantitative basée sur la mesure du seuil de perception sensorielle (CPT) chez le volontaire sain. Ce test nécessite l’application d’un courant électrique transcutané qui augmente graduellement et qui, selon la fréquence choisie, est capable de stimuler spécifiquement les fibres nerveuses impliquées dans le cheminement de l’influx nerveux douloureux. Les résultats obtenus chez les volontaires sains indiquent que la mesure CPT est fiable, reproductible et permet de suivre l’évolution temporelle du bloc sensitif. Études cliniques Manuscrit 3 : Nous avons ensuite caractérisé, pendant plus de 72 h, l’absorption systémique de la ROP lorsqu’administrée pour un bloc du nerf fémoral chez 19 patients subissant une chirurgie du genou. Le modèle PK populationnel utilisé pour analyser nos résultats comporte une absorption biphasique durant laquelle une fraction de la dose administrée pénètre rapidement (temps d’absorption moyen : 27 min, IC % 19 – 38 min) dans le flux sanguin systémique pendant que l’autre partie, en provenance du site de dépôt, est redistribuée beaucoup plus lentement (demi-vie (T1/2) : 2.6 h, IC % 1.6 – 4.3 h) vers la circulation systémique. Une relation statistiquement significative entre l’âge de nos patients et la redistribution de l’AL suggère que la perméabilité tissulaire est augmentée avec l’âge. Manuscrit 4 : Une analyse PK-PD du comportement sensitif du bloc fémoral (CPT) a été effectuée. Le modèle développé a estimé à 20.2 ± 10.1 mg la quantité de ROP nécessaire au site d’action pour produire 90 % de l’effet maximal (AE90). À 2 X la AE90, le modèle prédit un début d’action de 23.4 ± 12.5 min et une durée de 22.9 ± 5.3 h. Il s’agit de la première étude ayant caractérisé le comportement sensitif d’un bloc nerveux périphérique. Manuscrit 5 : La troisième et dernière étude clinique a été conduite chez les patients qui devaient subir une chirurgie du genou sous rachianesthésie. Tout comme pour le bloc du nerf fémoral, le modèle PK le plus approprié pour nos données suggère que l’absorption systémique de la ROP à partir du liquide céphalo-rachidien est biphasique; c.à.d. une phase initiale (T1/2 : 49 min, IC %: 24 – 77 min) suivie (délai: 18 ± 2 min) d'une phase légèrement plus lente (T1/2 : 66 min, IC %: 36 – 97 min). L’effet maximal a été observé beaucoup plus rapidement, soit aux environs de 12.6 ± 4.9 min, avant de revenir aux valeurs de base 210 ± 55 min suivant l’administration de l’agent. Ces données ont permis d’estimer une AE50 de 7.3 ± 2.3 mg pour l'administration spinale. Conclusion : En somme, ces modèles peuvent être utilisés pour prédire l’évolution temporelle du bloc sensitif de l’anesthésie rachidienne et périphérique (fémorale), et par conséquent, optimiser l’utilisation clinique de la ROP en fonction des besoins des cliniciens, notamment en ce qui a trait à l’âge du patient.

Évolution moléculaire : un modèle Markov-modulé pour les processus de substitution

Les processus Markoviens continus en temps sont largement utilisés pour tenter d’expliquer l’évolution des séquences protéiques et nucléotidiques le long des phylogénies. Des modèles probabilistes reposant sur de telles hypothèses sont conçus pour satisfaire la non-homogénéité spatiale des contraintes fonctionnelles et environnementales agissant sur celles-ci. Récemment, des modèles Markov-modulés ont été introduits pour décrire les changements temporels dans les taux d’évolution site-spécifiques (hétérotachie). Des études ont d’autre part démontré que non seulement la force mais également la nature de la contrainte sélective agissant sur un site peut varier à travers le temps. Ici nous proposons de prendre en charge cette réalité évolutive avec un modèle Markov-modulé pour les protéines sous lequel les sites sont autorisés à modifier leurs préférences en acides aminés au cours du temps. L’estimation a posteriori des différents paramètres modulants du noyau stochastique avec les méthodes de Monte Carlo est un défi de taille que nous avons su relever partiellement grâce à la programmation parallèle. Des réglages computationnels sont par ailleurs envisagés pour accélérer la convergence vers l’optimum global de ce paysage multidimensionnel relativement complexe. Qualitativement, notre modèle semble être capable de saisir des signaux d’hétérogénéité temporelle à partir d’un jeu de données dont l’histoire évolutive est reconnue pour être riche en changements de régimes substitutionnels. Des tests de performance suggèrent de plus qu’il serait mieux ajusté aux données qu’un modèle équivalent homogène en temps. Néanmoins, les histoires substitutionnelles tirées de la distribution postérieure sont bruitées et restent difficilement interprétables du point de vue biologique.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

Studies on the Quality of Rainwater at Various Land Use Locations and Variations by Interaction with Domestic Rainwater Harvesting Systems

The present study focused on the quality of rainwater at various land use locations and its variations on interaction with various domestic rainwater harvesting systems.Sampling sites were selected based upon the land use pattern of the locations and were classified as rural, urban, industrial and sub urban. Rainwater samples were collected from the south west monsoon of May 2007 to north east monsoon of October 2008, from four sampling sites namely Kothamangalam, Emakulam, Eloor and Kalamassery, in Ernakulam district of the State of Kerala, which characterized typical rural, urban, industrial and suburban locations respectively. Rain water samples at various stages of harvesting were also collected. The samples were analyzed according to standard procedures and their physico-chemical and microbiological parameters were determined. The variations of the chemical composition of the rainwater collected were studied using statistical methods. It was observed that 17.5%, 30%, 45.8% and 12.1% of rainwater samples collected at rural, urban, industrial and suburban locations respectively had pH less than 5.6, which is considered as the pH of cloud water at equilibrium with atmospheric CO,.Nearly 46% of the rainwater samples were in acidic range in the industrial location while it was only 17% in the rural location. Multivariate statistical analysls was done using Principal Component Analysis, and the sources that inf1uence the composition of rainwater at each locations were identified .which clearly indicated that the quality of rain water is site specific and represents the atmospheric characteristics of the free fall The quality of harvested rainwater showed significant variations at different stages of harvesting due to deposition of dust from the roof catchment surface, leaching of cement constituents etc. Except the micro biological quality, the harvested rainwater satisfied the Indian Standard guide lines for drinking water. Studies conducted on the leaching of cement constituents in water concluded that tanks made with ordinary portland cement and portland pozzolana cement could be safely used for storage of rain water.

Ecotoxic Metal Records and its Degree of Geochemical Symphony in the Niche of Cochin Estuarine System- A Theraptic Perspective

The heavy metal contamination in the environment may lead to circumstances like bioaccumulation and inturn biomagnification. Hence cheaper and effective technologies are needed to protect the precious natural resources and biological lives. A suitable technique is the one which meets the technical and environmental criteria for dealing with a particular remediation problem and should be site-specific due to spatial and climatic variations and it may not economically feasible everywhere. The search for newer technologies for the environmental therapy, involving the removal of toxic metals from wastewaters has directed attention to adsorption, based on metal binding capacities of various adsorbent materials. Therefore, the present study aim to identify and evaluate the most current mathematical formulations describing sorption processes. Although vast amount of research has been carried out in the area of metal removal by adsorption process using activated carbon few specific research data are available in different scientific institutions. The present work highlights the seasonal and spatial variations in the distribution of some selected heavy metals among various geochemical phases of Cochin Estuarine system and also looked into an environmental theraptic/remedial approach by adsorption technique using activated charcoal and chitosan, to reduce and thereby controlling metallic pollution. The thesis has been addressed in seven chapters with further subdivisions. The first chapter is introductory, stating the necessity of reducing or preventing water pollution due to the hazardous impact on environment and health of living organisms and drawing it from a careful review of literature relevant to the present study. It provides a constricted description about the study area, geology, and general hydrology and also bears the major objectives and scope of the present study.

Hydrogeology and hydrochemistry of the aquifer systems of Kuttanad area, Kerala: Their role in understanding the evolution of groundwaters

This is an attempt to understand the important factors that control the occurrence, development and hydrochemical evolution of groundwater resources in sedimentary multi aquifer systems. The primary objective of this work is an integrated study of the hydrogeology and hydrochemistry with a view to elucidate the hydrochemical evolution of groundwater resources in the aquifer systems. The study is taken up in a typical coastal sedimentary aquifer system evolved under fluvio-marine environment in the coastal area of Kerala, known as the Kuttanad. The present study has been carried out to understand the aquifer systems, their inter relationships and evolution in the Kuttanad area of Kerala. The multi aquifer systems in the Kuttanad basin were formed from the sediments deposited under fluvio-marine and fluvial depositional environments and the marine transgressions and regressions in the geological past and palaeo climatic conditions influenced the hydrochemical environment in these aquifers. The evolution of groundwater and the hydrochemical processes involved in the formation of the present day water quality are elucidated from hydrochemical studies and the information derived from the aquifer geometry and hydraulic properties. Kuttanad area comprises of three types of aquifer systems namely phreatic aquifer underlain by Recent confined aquifer followed by Tertiary confined aquifers. These systems were formed by the deposition of sediments under fluvio-marine and fluvial environment. The study of the hydrochemical and hydraulic properties of the three aquifer systems proved that these three systems are separate entities. The phreatic aquifers in the area have low hydraulic gradients and high rejected recharge. The Recent confined aquifer has very poor hydraulic characteristics and recharge to this aquifer is very low. The Tertiary aquifer system is the most potential fresh water aquifer system in the area and the groundwater flow in the aquifer is converging towards the central part of the study area (Alleppey town) due to large scale pumping of water for water supply from this aquifer system. Mixing of waters and anthropogenic interferences are the dominant processes modifying the hydrochemistry in phreatic aquifers. Whereas, leaching of salts and cation exchange are the dominant processes modifying the hydrochemistry of groundwater in the confined aquifer system of Recent alluvium. Two significant chemical reactions modifying the hydrochemistry in the Recent aquifers are oxidation of iron in ferruginous clays which contributes hydrogen ions and the decomposition of organic matter in the aquifer system which consumes hydrogen ions. The hydrochemical environment is entirely different in the Tertiary aquifers as the groundwater in this aquifer system are palaeo waters evolved during various marine transgressions and regressions and these waters are being modified by processes of leaching of salts, cation exchange and chemical reactions under strong reducing environment. It is proved that the salinity observed in the groundwaters of Tertiary aquifers are not due to seawater mixing or intrusion, but due to dissolution of salts from the clay formations and ion exchange processes. Fluoride contamination in this aquifer system lacks a regional pattern and is more or less site specific in natureThe lowering of piezometric heads in the Tertiary aquifer system has developed as consequence of large scale pumping over a long period. Hence, puping from this aquifer system is to be regulated as a groundwater management strategy. Pumping from the Tertiary aquifers with high capacity pumps leads to well failures and mixing of saline water from the brackish zones. Such mixing zones are noticed from the hydrochemical studies. This is the major aquifer contamination in the Tertiary aquifer system which requires immediate attention. Usage of pumps above 10 HP capacities in wells taping Tertiary aquifers should be discouraged for sustainable development of these aquifers. The recharge areas need to be identified precisely for recharging the aquifer systems throughartificial means.

A study on the performance of flexible pavements on mature soil subgrades

The country has witnessed tremendous increase in the vehicle population and increased axle loading pattern during the last decade, leaving its road network overstressed and leading to premature failure. The type of deterioration present in the pavement should be considered for determining whether it has a functional or structural deficiency, so that appropriate overlay type and design can be developed. Structural failure arises from the conditions that adversely affect the load carrying capability of the pavement structure. Inadequate thickness, cracking, distortion and disintegration cause structural deficiency. Functional deficiency arises when the pavement does not provide a smooth riding surface and comfort to the user. This can be due to poor surface friction and texture, hydro planning and splash from wheel path, rutting and excess surface distortion such as potholes, corrugation, faulting, blow up, settlement, heaves etc. Functional condition determines the level of service provided by the facility to its users at a particular time and also the Vehicle Operating Costs (VOC), thus influencing the national economy. Prediction of the pavement deterioration is helpful to assess the remaining effective service life (RSL) of the pavement structure on the basis of reduction in performance levels, and apply various alternative designs and rehabilitation strategies with a long range funding requirement for pavement preservation. In addition, they can predict the impact of treatment on the condition of the sections. The infrastructure prediction models can thus be classified into four groups, namely primary response models, structural performance models, functional performance models and damage models. The factors affecting the deterioration of the roads are very complex in nature and vary from place to place. Hence there is need to have a thorough study of the deterioration mechanism under varied climatic zones and soil conditions before arriving at a definite strategy of road improvement. Realizing the need for a detailed study involving all types of roads in the state with varying traffic and soil conditions, the present study has been attempted. This study attempts to identify the parameters that affect the performance of roads and to develop performance models suitable to Kerala conditions. A critical review of the various factors that contribute to the pavement performance has been presented based on the data collected from selected road stretches and also from five corporations of Kerala. These roads represent the urban conditions as well as National Highways, State Highways and Major District Roads in the sub urban and rural conditions. This research work is a pursuit towards a study of the road condition of Kerala with respect to varying soil, traffic and climatic conditions, periodic performance evaluation of selected roads of representative types and development of distress prediction models for roads of Kerala. In order to achieve this aim, the study is focused into 2 parts. The first part deals with the study of the pavement condition and subgrade soil properties of urban roads distributed in 5 Corporations of Kerala; namely Thiruvananthapuram, Kollam, Kochi, Thrissur and Kozhikode. From selected 44 roads, 68 homogeneous sections were studied. The data collected on the functional and structural condition of the surface include pavement distress in terms of cracks, potholes, rutting, raveling and pothole patching. The structural strength of the pavement was measured as rebound deflection using Benkelman Beam deflection studies. In order to collect the details of the pavement layers and find out the subgrade soil properties, trial pits were dug and the in-situ field density was found using the Sand Replacement Method. Laboratory investigations were carried out to find out the subgrade soil properties, soil classification, Atterberg limits, Optimum Moisture Content, Field Moisture Content and 4 days soaked CBR. The relative compaction in the field was also determined. The traffic details were also collected by conducting traffic volume count survey and axle load survey. From the data thus collected, the strength of the pavement was calculated which is a function of the layer coefficient and thickness and is represented as Structural Number (SN). This was further related to the CBR value of the soil and the Modified Structural Number (MSN) was found out. The condition of the pavement was represented in terms of the Pavement Condition Index (PCI) which is a function of the distress of the surface at the time of the investigation and calculated in the present study using deduct value method developed by U S Army Corps of Engineers. The influence of subgrade soil type and pavement condition on the relationship between MSN and rebound deflection was studied using appropriate plots for predominant types of soil and for classified value of Pavement Condition Index. The relationship will be helpful for practicing engineers to design the overlay thickness required for the pavement, without conducting the BBD test. Regression analysis using SPSS was done with various trials to find out the best fit relationship between the rebound deflection and CBR, and other soil properties for Gravel, Sand, Silt & Clay fractions. The second part of the study deals with periodic performance evaluation of selected road stretches representing National Highway (NH), State Highway (SH) and Major District Road (MDR), located in different geographical conditions and with varying traffic. 8 road sections divided into 15 homogeneous sections were selected for the study and 6 sets of continuous periodic data were collected. The periodic data collected include the functional and structural condition in terms of distress (pothole, pothole patch, cracks, rutting and raveling), skid resistance using a portable skid resistance pendulum, surface unevenness using Bump Integrator, texture depth using sand patch method and rebound deflection using Benkelman Beam. Baseline data of the study stretches were collected as one time data. Pavement history was obtained as secondary data. Pavement drainage characteristics were collected in terms of camber or cross slope using camber board (slope meter) for the carriage way and shoulders, availability of longitudinal side drain, presence of valley, terrain condition, soil moisture content, water table data, High Flood Level, rainfall data, land use and cross slope of the adjoining land. These data were used for finding out the drainage condition of the study stretches. Traffic studies were conducted, including classified volume count and axle load studies. From the field data thus collected, the progression of each parameter was plotted for all the study roads; and validated for their accuracy. Structural Number (SN) and Modified Structural Number (MSN) were calculated for the study stretches. Progression of the deflection, distress, unevenness, skid resistance and macro texture of the study roads were evaluated. Since the deterioration of the pavement is a complex phenomena contributed by all the above factors, pavement deterioration models were developed as non linear regression models, using SPSS with the periodic data collected for all the above road stretches. General models were developed for cracking progression, raveling progression, pothole progression and roughness progression using SPSS. A model for construction quality was also developed. Calibration of HDM–4 pavement deterioration models for local conditions was done using the data for Cracking, Raveling, Pothole and Roughness. Validation was done using the data collected in 2013. The application of HDM-4 to compare different maintenance and rehabilitation options were studied considering the deterioration parameters like cracking, pothole and raveling. The alternatives considered for analysis were base alternative with crack sealing and patching, overlay with 40 mm BC using ordinary bitumen, overlay with 40 mm BC using Natural Rubber Modified Bitumen and an overlay of Ultra Thin White Topping. Economic analysis of these options was done considering the Life Cycle Cost (LCC). The average speed that can be obtained by applying these options were also compared. The results were in favour of Ultra Thin White Topping over flexible pavements. Hence, Design Charts were also plotted for estimation of maximum wheel load stresses for different slab thickness under different soil conditions. The design charts showed the maximum stress for a particular slab thickness and different soil conditions incorporating different k values. These charts can be handy for a design engineer. Fuzzy rule based models developed for site specific conditions were compared with regression models developed using SPSS. The Riding Comfort Index (RCI) was calculated and correlated with unevenness to develop a relationship. Relationships were developed between Skid Number and Macro Texture of the pavement. The effort made through this research work will be helpful to highway engineers in understanding the behaviour of flexible pavements in Kerala conditions and for arriving at suitable maintenance and rehabilitation strategies. Key Words: Flexible Pavements – Performance Evaluation – Urban Roads – NH – SH and other roads – Performance Models – Deflection – Riding Comfort Index – Skid Resistance – Texture Depth – Unevenness – Ultra Thin White Topping

Low-altitude aerial photography for optimum N fertilization of winter wheat on the North China Plain

Previous research has shown that site-specific nitrogen (N) fertilizer recommendations based on an assessment of a soil’s N supply (mineral N testing) and the crop’s N status (sap nitrate analysis) can help to decrease excessive N inputs for winter wheat on the North China Plain. However, the costs to derive such recommendations based on multiple sampling of a single field hamper the use of this approach at the on-farm level. In this study low-altitude aerial true-color photographs were used to examine the relationship between image-derived reflectance values and soil–plant data in an on-station experiment. Treatments comprised a conventional N treatment (typical farmers’ practice), an optimum N treatment (N application based on soil–plant testing) and six treatments without N (one to six cropping seasons without any N fertilizer input). Normalized intensities of the red, green and blue color bands on the photographs were highly correlated with total N concentrations, SPAD readings and stem sap nitrate of winter wheat. The results indicate the potential of aerial photography to determine in combination with on site soil–plant testing the optimum N fertilizer rate for larger fields and to thereby decrease the costs for N need assessments.

Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling

Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------

Flächenhafte und funktionale Analyse kleinräumiger standortbedingter Variationen der Grünlandvegetation und -produktivität

Zur Abbildung heterogener Standorteigenschaften und Ertragspotenziale werden zunehmend flächenhafte Daten nachgefragt. Insbesondere für Grünland, das häufig durch ausgeprägte Standortheterogenität gekennzeichnet ist, ergeben sich hohe Anforderungen an die Wiedergabequalität, denn die realen Verhältnisse sollen in praktikabler Weise möglichst exakt abgebildet werden. Außerdem können flächenhafte Daten genutzt werden, um Zusammenhänge zwischen teilflächenspezifischen Standorteigenschaften und Grünlandaspekten detaillierter zu analysieren und bisher nicht erkannte Wechselbeziehungen nachzuweisen. Für mitteleuropäisches Grünland lagen zu Beginn dieser Arbeit derartige räumliche Untersuchungen nicht oder nur in Teilaspekten vor. Diese Arbeit befasste sich mit der Analyse von Wirkungsbeziehungen zwischen Standort- und Grünlandmerkmalen auf einer im Nordhessischen Hügelland (Deutschland) weitgehend praxisüblicher bewirtschafteten 20 ha großen Weidefläche. Erhoben wurden als Standortfaktoren die Geländemorphologie, die Bodentextur, die Grundnährstoffgehalten sowie als Parameter des Grünlandbestandes die botanische Zusammensetzung, der Ertrag und die Qualitätsparameter. Sie wurden sowohl in einem 50 m-Raster ganzflächig, als auch auf drei 50x50 m großen Teilflächen in erhöhter Beprobungsdichte (6,25 m-Rasterweite) aufgenommen. Die relevanten Fragestellungen zielen auf die räumliche und zeitliche Variabilität von Grünlandbestandesparametern innerhalb von Grünlandflächen sowie deren Abhängigkeit von den Standortfaktoren. Ein weiterer Schwerpunkt war die Überprüfung der Frage, ob die reale Variabilität der Zielvariablen durch die Interpolierung der punktuell erfassten Daten wiedergegeben werden kann. Die Beziehungen zwischen Standort- und Grünlandmerkmalen wurden mit monokausalen und multivariaten Ansätzen untersucht. Die Ergebnisse ließen, unabhängig vom Jahreseinfluss, bereits bestimmte Zusammenhänge zwischen botanischer Zusammensetzung und Standort, auch auf dem untersuchten kleinen Maßstab innerhalb der Grünlandfläche, finden. Demzufolge können unterschiedliche Areale abgegrenzt und charakterisiert werden, die als Grundlage für Empfehlungen zur Ausweisung von Arealen zur teilspezifischen Bewirtschaftung erarbeitet wurden. Die Validierung der interpolierten Daten zeigte, dass die 50-m Rasterbeprobung nur eine begrenzte Wiedergabe der räumlichen Variabilität ermöglicht. Inwieweit derartige Beziehungen quantitativ genauer beschreibbar sind, bleibt auf Grund der verbliebenen unerklärten Varianz im Datensatz dieser Studie offen.

The role of ligneous vegetation for livestock nutrition in the sub-Sahelian and Sudanian zones of West Africa: Potential effects of climate change

Climate change and variability in sub-Saharan West Africa is expected to have negative consequences for crop and livestock farming due to the strong dependence of these sectors on rainfall and natural resources, and the low adaptive capacity of crops farmers, agro-pastoralist and pastoralists in the region. The objective of this PhD research was to investigate the anticipated impacts of expected future climate change and variability on nutrition and grazing management of livestock in the prevailing extensive agro-pastoral and pastoral systems of the Sahelian and Sudanian zones of Burkina Faso. To achieve this, three studies were undertaken in selected village territories (100 km² each) in the southern Sahelian (Taffogo), northern Sudanian (Nobere, Safane) and southern Sudanian (Sokouraba) zone of the country during 2009 and 2010. The choice of two villages in the northern Sudanian zone was guided by the dichotomy between intense agricultural land use and high population density near Safane, and lower agricultural land use in the tampon zone between the village of Nobere and the National Park Kaboré Tambi of Pô. Using global positioning and geographical information systems tools, the spatio-temporal variation in the use of grazing areas by cattle, sheep and goats, and in their foraging behaviour in the four villages was assessed by monitoring three herds each per species during a one-year cycle (Chapter 2). Maximum itinerary lengths (km/d) were observed in the hot dry season (March-May); they were longer for sheep (18.8) and cattle (17.4) than for goats (10.5, p<0.05). Daily total grazing time spent on pasture ranged from 6 - 11 h with cattle staying longer on pasture than small ruminants (p<0.05). Feeding time accounted for 52% - 72% of daily time on pasture, irrespective of species. Herds spent longer time on pasture and walked farther distances in the southern Sahelian than the two Sudanian zones (p<0.01), while daily feeding time was longer in the southern Sudanian than in the other two zones (p>0.05). Proportional time spent resting decreased from the rainy (June - October) to the cool (November - February) and hot dry season (p<0.05), while in parallel the proportion of walking time increased. Feeding time of all species was to a significantly high proportion spent on wooded land (tree crown cover 5-10%, or shrub cover >10%) in the southern Sahelian zone, and on forest land (tree crown cover >10%) in the two Sudanian zones, irrespective of season. It is concluded that with the expansion of cropland in the whole region, remaining islands of wooded land, including also fields fallowed for three or more years with their considerable shrub cover, are particularly valuable pasturing areas for ruminant stock. Measures must be taken that counteract the shrinking of wooded land and forests across the whole region, including also active protection and (re)establishment of drought-tolerant fodder trees. Observation of the selection behaviour of the above herds of cattle and small ruminant as far as browse species were concerned, and interviews with 75 of Fulani livestock keepers on use of browse as feed by their ruminant stock and as remedies for animal disease treatment was undertaken (Chapter 3) in order to evaluate the consequence of climate change for the contribution of browse to livestock nutrition and animal health in the extensive grazing-based livestock systems. The results indicated that grazing cattle and small ruminants do make considerable use of browse species on pasture across the studied agro-ecological zones. Goats spent more time (p<0.01) feeding on browse species than sheep and cattle, which spent a low to moderate proportion of their feeding time on browsing in any of the study sites. As far as the agro-ecological zones were concerned, the contribution of browse species to livestock nutrition was more important in the southern Sahelian and northern Sudanian zone than the southern Sudanian zone, and this contribution is higher during the cold and hot dry season than during the rainy season. A total of 75 browse species were selected on pasture year around, whereby cattle strongly preferred Afzelia africana, Pterocarpus erinaceus and Piliostigma sp., while sheep and goats primarily fed on Balanites aegyptiaca, Ziziphus mauritiana and Acacia sp. Crude protein concentration (in DM) of pods or fruits of the most important browse species selected by goats, sheep and cattle ranged from 7% to 13% for pods, and from 10% to 18% for foliage. The concentration of digestible organic matter of preferred browse species mostly ranged from 40% to 60%, and the concentrations of total phenols, condensed tannins and acid detergent lignin were low. Linear regression analyses showed that browse preference on pasture is strongly related to its contents (% of DM) of CP, ADF, NDF and OM digestibility. Interviewed livestock keepers reported that browse species are increasingly use by their grazing animals, while for animal health care use of tree- and shrub-based remedies decreased over the last two decades. It is concluded that due to climate change with expected negative impact on the productivity of the herbaceous layer of communal pastures browse fodder will gain in importance for animal nutrition. Therefore re-establishment and dissemination of locally adapted browse species preferred by ruminants is needed to increase the nutritional situation of ruminant stock in the region and contribute to species diversity and soil fertility restoration in degraded pasture areas. In Chapter 4 a combination of household surveys and participatory research approaches was used in the four villages, and additionally in the village of Zogoré (southern Sahelian zone) and of Karangasso Vigué (northern Sudanian zone) to investigate pastoralists’ (n= 76) and agro-pastoralists’ (n= 83) perception of climate change, and their adaptation strategies in crop and livestock production at farm level. Across the three agro-ecological zones, the majority of the interviewees perceived an increase in maximum day temperatures and decrease of total annual rainfall over the last two decades. Perceptions of change in climate patterns were in line with meteorological data for increased temperatures while for total rainfall farmers’ views contrasted the rainfall records which showed a slight increase of precipitation. According to all interviewees climate change and variability have negative impacts on their crop and animal husbandry, and most of them already adopted some coping and adaptation strategies at farm level to secure their livelihoods and reduce negative impacts on their farming system. Although these strategies are valuable and can help crop and livestock farmers to cope with the recurrent droughts and climate variability, they are not effective against expected extreme climate events. Governmental and non-governmental organisations should develop effective policies and strategies at local, regional and national level to support farmers in their endeavours to cope with climate change phenomena; measures should be site-specific and take into account farmers’ experiences and strategies already in place.