Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Building Beyond Limits : Fantastic Collisions Between Bodies and Machines in French and English Fin-de-Siècle Literature

«Construire hors limite: collisions fantastiques entre corps et machines dans la littérature fin-de-siècle française et anglaise» explore un ensemble de textes qui ont surgi à la fin du dix-neuvième siècle en réponse et en réaction à la fulgurante évolution de l’environnement scientifique et technologique, et qui considèrent la relation entre l’homme et la machine en fantasmant sur la zone grise où ils s’intersectent. Les principaux textes étudiés comprennent L’Ève future de Villiers de l’Isle-Adam, Le Surmâle d’Alfred Jarry, Trilby de George Du Maurier, Le Château des Carpathes de Jules Verne, ainsi qu’une sélection de contes dont nous pouvons qualifier de «contes à appareils», notamment «La Machine à parler» de Marcel Schwob. Utilisant la théorie des systèmes comme base méthodologique, cette dissertation cherche à réinterpréter les textes de la fin du dix-neuvième siècle qui naviguent les limites de l’humain et du mécanique et les surfaces sensibles où ils se touchent et interagissent en les réinscrivant dans un projet plus vaste de construction d’identité qui défie le temps chronologique et les échelles mathématiques. Le lien entre la théorie des systèmes et l’architecture – comme méthode d’organisation d’espace blanc en espace habitable – est exploré dans le but de comprendre la manière dont nous façonnons et interprétons le néant à l’origine de l’identité individuelle, et par association collective, en pratiquant littéralement la schématisation et la construction du corps. Des auteurs tels Villiers et Jarry imaginent la construction du corps comme une entreprise scientifique nécessairement fondée et réalisée avec les matériaux et les technologies disponibles, pour ensuite démanteler cette proposition en condamnant le corps technologique à la destruction. La construction d’une identité amplifiée par la technologie prend donc des proportions prométhéennes perpétuellement redessinées dans des actes cycliques de rasage (destruction) et d’érection (édification), et reflétées dans l’écriture palimpsestique du texte. L’intégrité du corps organique étant mis en question, le noyau même de ce que signifie l’être (dans son sens de verbe infinitif) humain pourrait bien s’avérer, si l’on considère la correspondance entre perte de voix et état pathologique dans les textes de Du Maurier, Verne et Schwob, être une structure des plus précaires, distinctement hors sens (unsound).

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Das Einzugsgebiet der Fulda - Untersuchung der Methoden der Hochwasserstatistik im Zeichen des Klimawandels

Numerous studies have proven an effect of a probable climate change on the hydrosphere’s different subsystems. In the 21st century global and regional redistribution of water has to be expected and it is very likely that extreme weather phenomenon will occur more frequently. From a global view the flood situation will exacerbate. In contrast to these discoveries the classical approach of flood frequency analysis provides terms like “mean flood recurrence interval”. But for this analysis to be valid there is a need for the precondition of stationary distribution parameters which implies that the flood frequencies are constant in time. Newer approaches take into account extreme value distributions with time-dependent parameters. But the latter implies a discard of the mentioned old terminology that has been used up-to-date in engineering hydrology. On the regional scale climate change affects the hydrosphere in various ways. So, the question appears to be whether in central Europe the classical approach of flood frequency analysis is not usable anymore and whether the traditional terminology should be renewed. In the present case study hydro-meteorological time series of the Fulda catchment area (6930 km²), upstream of the gauging station Bonaforth, are analyzed for the time period 1960 to 2100. At first a distributed catchment area model (SWAT2005) is build up, calibrated and finally validated. The Edertal reservoir is regulated as well by a feedback control of the catchments output in case of low water. Due to this intricacy a special modeling strategy has been necessary: The study area is divided into three SWAT basin models and an additional physically-based reservoir model is developed. To further improve the streamflow predictions of the SWAT model, a correction by an artificial neural network (ANN) has been tested successfully which opens a new way to improve hydrological models. With this extension the calibration and validation of the SWAT model for the Fulda catchment area is improved significantly. After calibration of the model for the past 20th century observed streamflow, the SWAT model is driven by high resolution climate data of the regional model REMO using the IPCC scenarios A1B, A2, and B1, to generate future runoff time series for the 21th century for the various sub-basins in the study area. In a second step flood time series HQ(a) are derived from the 21st century runoff time series (scenarios A1B, A2, and B1). Then these flood projections are extensively tested with regard to stationarity, homogeneity and statistical independence. All these tests indicate that the SWAT-predicted 21st-century trends in the flood regime are not significant. Within the projected time the members of the flood time series are proven to be stationary and independent events. Hence, the classical stationary approach of flood frequency analysis can still be used within the Fulda catchment area, notwithstanding the fact that some regional climate change has been predicted using the IPCC scenarios. It should be noted, however, that the present results are not transferable to other catchment areas. Finally a new method is presented that enables the calculation of extreme flood statistics, even if the flood time series is non-stationary and also if the latter exhibits short- and longterm persistence. This method, which is called Flood Series Maximum Analysis here, enables the calculation of maximum design floods for a given risk- or safety level and time period.

Asymmetric tunnels in P2MP LSPs as a label space reduction method

The objective of traffic engineering is to optimize network resource utilization. Although several works have been published about minimizing network resource utilization, few works have focused on LSR (label switched router) label space. This paper proposes an algorithm that takes advantage of the MPLS label stack features in order to reduce the number of labels used in LSPs. Some tunnelling methods and their MPLS implementation drawbacks are also discussed. The described algorithm sets up NHLFE (next hop label forwarding entry) tables in each LSR, creating asymmetric tunnels when possible. Experimental results show that the described algorithm achieves a great reduction factor in the label space. The presented works apply for both types of connections: P2MP (point-to-multipoint) and P2P (point-to-point)

Global scale water stages from SAR imagery (GlosSARi) to support global flood forecasting

Despite the success of studies attempting to integrate remotely sensed data and flood modelling and the need to provide near-real time data routinely on a global scale as well as setting up online data archives, there is to date a lack of spatially and temporally distributed hydraulic parameters to support ongoing efforts in modelling. Therefore, the objective of this project is to provide a global evaluation and benchmark data set of floodplain water stages with uncertainties and assimilation in a large scale flood model using space-borne radar imagery. An algorithm is developed for automated retrieval of water stages with uncertainties from a sequence of radar imagery and data are assimilated in a flood model using the Tewkesbury 2007 flood event as a feasibility study. The retrieval method that we employ is based on possibility theory which is an extension of fuzzy sets and that encompasses probability theory. In our case we first attempt to identify main sources of uncertainty in the retrieval of water stages from radar imagery for which we define physically meaningful ranges of parameter values. Possibilities of values are then computed for each parameter using a triangular ‘membership’ function. This procedure allows the computation of possible values of water stages at maximum flood extents along a river at many different locations. At a later stage in the project these data are then used in assimilation, calibration or validation of a flood model. The application is subsequently extended to a global scale using wide swath radar imagery and a simple global flood forecasting model thereby providing improved river discharge estimates to update the latter.

Establishment of a Cross-European Field Site Network in the ALARM Project for Assessing Large-Scale Changes in Biodiversity

The field site network (FSN) plays a central role in conducting joint research within all Assessing Large-scale Risks for biodiversity with tested Methods (ALARM) modules and provides a mechanism for integrating research on different topics in ALARM on the same site for measuring multiple impacts on biodiversity. The network covers most European climates and biogeographic regions, from Mediterranean through central European and boreal to subarctic. The project links databases with the European-wide field site network FSN, including geographic information system (GIS)-based information to characterise the test location for ALARM researchers for joint on-site research. Maps are provided in a standardised way and merged with other site-specific information. The application of GIS for these field sites and the information management promotes the use of the FSN for research and to disseminate the results. We conclude that ALARM FSN sites together with other research sites in Europe jointly could be used as a future backbone for research proposals

The tagged microarray marker (TAM) method for high-throughput detection of single nucleotide and indel polymorphisms

The tagged microarray marker (TAM) method allows high-throughput differentiation between predicted alternative PCR products. Typically, the method is used as a molecular marker approach to determining the allelic states of single nucleotide polymorphisms (SNPs) or insertion-deletion (indel) alleles at genomic loci in multiple individuals. Biotin-labeled PCR products are spotted, unpurified, onto a streptavidin-coated glass slide and the alternative products are differentiated by hybridization to fluorescent detector oligonucleotides that recognize corresponding allele-specific tags on the PCR primers. The main attractions of this method are its high throughput (thousands of PCRs are analyzed per slide), flexibility of scoring (any combination, from a single marker in thousands of samples to thousands of markers in a single sample, can be analyzed) and flexibility of scale (any experimental scale, from a small lab setting up to a large project). This protocol describes an experiment involving 3,072 PCRs scored on a slide. The whole process from the start of PCR setup to receiving the data spreadsheet takes 2 d.

Cloud optical depth retrievals from the Aerosol Robotic Network (AERONET) cloud mode observations

Cloud optical depth is one of the most poorly observed climate variables. The new “cloud mode” capability in the Aerosol Robotic Network (AERONET) will inexpensively yet dramatically increase cloud optical depth observations in both number and accuracy. Cloud mode optical depth retrievals from AERONET were evaluated at the Atmospheric Radiation Measurement program’s Oklahoma site in sky conditions ranging from broken clouds to overcast. For overcast cases, the 1.5 min average AERONET cloud mode optical depths agreed to within 15% of those from a standard ground‐based flux method. For broken cloud cases, AERONET retrievals also captured rapid variations detected by the microwave radiometer. For 3 year climatology derived from all nonprecipitating clouds, AERONET monthly mean cloud optical depths are generally larger than cloud radar retrievals because of the current cloud mode observation strategy that is biased toward measurements of optically thick clouds. This study has demonstrated a new way to enhance the existing AERONET infrastructure to observe cloud optical properties on a global scale.

Evaluation of an improved tracer method to monitor cheese curd syneresis at varying milk fat levels in a cheese vat

Previous studies have reported that cheese curd syneresis kinetics can be monitored by dilution of chemical tracers, such as Blue Dextran, in whey. The objective of this study was to evaluate an improved tracer method to monitor whey volumes expelled over time during syneresis. Two experiments with different ranges of milk fat (0-5% and 2.3-3.5%) were carried out in an 11 L double-O laboratory scale cheese vat. Tracer was added to the curd-whey mixture during the cutting phase of cheese making and samples were taken at 10 min intervals up to 75 min after cutting. The volume of whey expelled was measured gravimetrically and the dilution of tracer in the whey was measured by absorbance at 620 nm. The volumes of whey expelled were significantly reduced at higher milk fat levels. Whey yield was predicted with a SEP ranging from 3.2 to 6.3 g whey/100 mL of milk and a CV ranging from 2.03 to 2.7% at different milk fat levels.

Improvement of the GenTHREADER method for genomic fold recognition

Motivation: In order to enhance genome annotation, the fully automatic fold recognition method GenTHREADER has been improved and benchmarked. The previous version of GenTHREADER consisted of a simple neural network which was trained to combine sequence alignment score, length information and energy potentials derived from threading into a single score representing the relationship between two proteins, as designated by CATH. The improved version incorporates PSI-BLAST searches, which have been jumpstarted with structural alignment profiles from FSSP, and now also makes use of PSIPRED predicted secondary structure and bi-directional scoring in order to calculate the final alignment score. Pairwise potentials and solvation potentials are calculated from the given sequence alignment which are then used as inputs to a multi-layer, feed-forward neural network, along with the alignment score, alignment length and sequence length. The neural network has also been expanded to accommodate the secondary structure element alignment (SSEA) score as an extra input and it is now trained to learn the FSSP Z-score as a measurement of similarity between two proteins. Results: The improvements made to GenTHREADER increase the number of remote homologues that can be detected with a low error rate, implying higher reliability of score, whilst also increasing the quality of the models produced. We find that up to five times as many true positives can be detected with low error rate per query. Total MaxSub score is doubled at low false positive rates using the improved method.

An inverse method for determining source characteristics for emergency response applications

Following a malicious or accidental atmospheric release in an outdoor environment it is essential for first responders to ensure safety by identifying areas where human life may be in danger. For this to happen quickly, reliable information is needed on the source strength and location, and the type of chemical agent released. We present here an inverse modelling technique that estimates the source strength and location of such a release, together with the uncertainty in those estimates, using a limited number of measurements of concentration from a network of chemical sensors considering a single, steady, ground-level source. The technique is evaluated using data from a set of dispersion experiments conducted in a meteorological wind tunnel, where simultaneous measurements of concentration time series were obtained in the plume from a ground-level point-source emission of a passive tracer. In particular, we analyze the response to the number of sensors deployed and their arrangement, and to sampling and model errors. We find that the inverse algorithm can generate acceptable estimates of the source characteristics with as few as four sensors, providing these are well-placed and that the sampling error is controlled. Configurations with at least three sensors in a profile across the plume were found to be superior to other arrangements examined. Analysis of the influence of sampling error due to the use of short averaging times showed that the uncertainty in the source estimates grew as the sampling time decreased. This demonstrated that averaging times greater than about 5min (full scale time) lead to acceptable accuracy.

Fault tolerant decentralised K-Means clustering for asynchronous large-scale networks

The K-Means algorithm for cluster analysis is one of the most influential and popular data mining methods. Its straightforward parallel formulation is well suited for distributed memory systems with reliable interconnection networks, such as massively parallel processors and clusters of workstations. However, in large-scale geographically distributed systems the straightforward parallel algorithm can be rendered useless by a single communication failure or high latency in communication paths. The lack of scalable and fault tolerant global communication and synchronisation methods in large-scale systems has hindered the adoption of the K-Means algorithm for applications in large networked systems such as wireless sensor networks, peer-to-peer systems and mobile ad hoc networks. This work proposes a fully distributed K-Means algorithm (EpidemicK-Means) which does not require global communication and is intrinsically fault tolerant. The proposed distributed K-Means algorithm provides a clustering solution which can approximate the solution of an ideal centralised algorithm over the aggregated data as closely as desired. A comparative performance analysis is carried out against the state of the art sampling methods and shows that the proposed method overcomes the limitations of the sampling-based approaches for skewed clusters distributions. The experimental analysis confirms that the proposed algorithm is very accurate and fault tolerant under unreliable network conditions (message loss and node failures) and is suitable for asynchronous networks of very large and extreme scale.