Production of chitin-glucan complex by Pichia pastoris

Dissertation for the Degree of Master in Biotechnology

Production and characterization of Chitin-Glucan Complex by Komagataella pastoris

This thesis was focused on the production, extraction and characterization of chitin:β-glucan complex (CGC). In this process, glycerol byproduct from the biodiesel industry was used as carbon source. The selected CGC producing yeast was Komagataella pastoris (formerly known as Pichia pastoris), due the fact that to achieved high cell densities using as carbon source glycerol from the biodiesel industry. Firstly, a screening of K. pastoris strains was performed in shake flask assays, in order to select the strain of K. pastoris with better performance, in terms of growth, using glycerol as a carbon source. K. pastoris strain DSM 70877 achieved higher final cell densities (92-97 g/l), using pure glycerol (99%, w/v) and in glycerol from the biodiesel industry (86%, w/v), respectively, compared to DSM 70382 strain (74-82 g/l). Based on these shake flask assays results, the wild type DSM 70877 strain was selected to proceed for cultivation in a 2 l bioreactor, using glycerol byproduct (40 g/l), as sole carbon source. Biomass production by K. pastoris was performed under controlled temperature and pH (30.0 ºC and 5.0, respectively). More than 100 g/l biomass was obtained in less than 48 h. The yield of biomass on a glycerol basis was 0.55 g/g during the batch phase and 0.63 g/g during the fed-batch phase. In order to optimize the downstream process, by increasing extraction and purification efficiency of CGC from K. pastoris biomass, several assays were performed. It was found that extraction with 5 M NaOH at 65 ºC, during 2 hours, associated to neutralization with HCl, followed by successive washing steps with deionised water until conductivity of ≤20μS/cm, increased CGC purity. The obtained copolymer, CGCpure, had a chitin:glucan molar ratio of 25:75 mol% close to commercial CGC samples extracted from A. niger mycelium, kiOsmetine from Kitozyme (30:70 mol%). CGCpure was characterized by solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry (DCS), revealing a CGC with higher purity than a CGC commercial (kiOsmetine). In order to optimize CGC production, a set of batch cultivation experiments was performed to evaluate the effect of pH (3.5–6.5) and temperature (20–40 ºC) on the specific cell growth rate, CGC production and polymer composition. Statistical tools (response surface methodology and central composite design) were used. The CGC content in the biomass and the volumetric productivity (rp) were not significantly affected within the tested pH and temperature ranges. In contrast, the effect of pH and temperature on the CGC molar ratio was more pronounced. The highest chitin: β-glucan molar ratio (> 14:86) was obtained for the mid-range pH (4.5-5.8) and temperatures (26–33 ºC). The ability of K. pastoris to synthesize CGC with different molar ratios as a function of pH and temperature is a feature that can be exploited to obtain tailored polymer compositions.(...)

Bioproduction of succinic acid from renewable feedstocks by Actinobacillus succinogenes 130Z

Succinic acid (SA) is a highly versatile building block that is used in a wide range of industrial applications. The biological production of succinic acid has emerged in the last years as an efficient alternative to the chemical production based on fossil fuels. However, in order to fully replace the competing petro-based chemical process from which it has been produced so far, some challenges remain to be surpassed. In particular, one main obstacle would be to reduce its production costs, mostly associated to the use of refined sugars. The present work is focused on the development of a sustainable and cost-e↵ective microbial production process based on cheap and renewable resources, such as agroindustrial wastes. Hence, glycerol and carob pods were identified as promising feedstocks and used as inexpensive carbon sources for the bioproduction of succinic acid by Actinobacillus succinogenes 130Z, one of the best naturally producing strains. Even though glycerol is a highly available carbon source, as by-product of biodiesel production, its consumption by A. succinogenes is impaired due to a redox imbalance during cell growth. However, the use of an external electron acceptor such as dimethylsulfoxide (DMSO) may improve glycerol metabolism and succinic acid production by this strain. As such, DMSO was tested as a co-substrate for glycerol consumption and concentrations of DMSO between 1 and 4% (v/v) greatly promoted glycerol consumption and SA production by this biocatalyst. Aiming at obtaining higher succinic acid yield and production rate, batch and fed-batch experiments were performed under controlled cultivation conditions. Batch experiments resulted in a succinic acid yield on glycerol of 0.95 g SA/g GLY and a production rate of 2.13 g/L.h, with residual production of acetic and formic acids. In fed-batch experiment, the SA production rate reached 2.31 g/L.h, the highest value reported in the literature for A. succinogenes using glycerol as carbon source. DMSO dramatically improved the conversion of glycerol by A. succinogenes and may be used as a co-substrate, opening new perspectives for the use of glycerol by this biocatalyst. Carob pods, highly available in Portugal as a residue from the locust bean gum industry, contain a significant amount of fermentable sugars such as sucrose, glucose and fructose and were also used as substrate for succinic acid production. Sugar extraction from raw and roasted carobs was optimized varying solid/water ratio and extraction time, maximizing sugar recovery while minimizing the extraction of polyphenols. Kinetic studies of glucose, fructose and sucrose consumption by A. succinogenes as individual carbon sources till 30 g/L were first determined to assess possible metabolic diferences. Results showed no significant diferences related to sugar consumption and SA production between the diferent sugars. Carob pods water extracts were then used as carbon source during controlled batch cultivations. (...)

Polyhydroxyalkanoates production by photosynthetic mixed cultures

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are natural biologically synthesized polymers that have been the subject of much interest in the last decades due to their biodegradability. Thus far, its microbial production is associated with high operational costs, which increases PHA prices and limits its marketability. To address this situation, this thesis’ work proposes the utilization of photosynthetic mixed cultures (PMC) as a new PHA production system that may lead to a reduction in operational costs. In fact, the operational strategies developed in this work led to the selection of PHA accumulating PMCs that, unlike the traditional mixed microbial cultures, do not require aeration, thus permitting savings in this significant operational cost. In particular, the first PHA accumulating PMC tested in this work was selected under non-aerated illuminated conditions in a feast and famine regime, being obtained a consortium of bacteria and algae, where photosynthetic bacteria accumulated PHA during the feast phase and consumed it for growth during the famine phase, using the oxygen produced by algae. In this symbiotic system, a maximum PHA content of 20% cell dry weight (cdw) was reached, proving for the first time, the capacity of a PMC to accumulate PHA. During adaptation to dark/light alternating conditions, the culture decreased its algae content but maintained its viability, achieving a PHA content of 30% cdw. Also, the PMC was found to be able to utilize different volatile fatty acids for PHA production, accumulating up to 20% cdw of a PHA co-polymer composed of 3-hydroxybutyrate (3HB) and 3-hydroxyvalerate (HV) monomers. Finally, a new selective approach for the enrichment of PMCs in PHA accumulating bacteria was tested. Instead of imposing a feast and famine regime, a permanent feast regime was used, thus selecting a PMC that was capable of simultaneously growing and accumulating PHA, being attained a maximum PHA content of 60% cdw, the highest value reported for a PMC thus far. The results presented in this thesis prospect the utilization of cheap, VFA-rich fermented wastes as substrates for PHA production, which combined with this new photosynthetic technology opens up the possibility for direct sunlight illumination, leading to a more cost-effective and environmentally sustainable PHA production process.

Análise comparativa da designação, definição e classificação de resíduos hospitalares em legislações da União Europeia

RESUMO - O quadro legislativo de um país, no que concerne aos resíduos hospitalares (RH), contém a sua designação, definição e classificação. É essa a matriz de referência para a separação efectuada na origem e todo o circuito que, a partir desse momento, um determinado resíduo toma até ao seu tratamento. Assim, faz-se o estudo comparativo das definições e tipos de classificação de RH em quatro países da União Europeia: Alemanha, Reino Unido, Espanha (Região Autónoma da Catalunha) e Portugal. Reconhecem-se as diferentes designações deste tipo de resíduos e discute-se o seu significado e as suas implicações na percepção de risco por parte dos profissionais e do público. Identificam-se duas estratégias subjacentes à elaboração das definições: a contaminação de materiais com microrganismos patogénicos bem definidos, as suas fontes e as actividades que os produzem. Apresentam-se as classificações de RH propostas pelos organismos internacionais de referência e analisa-se comparativamente a evolução do enquadramento legal português e da Região Autónoma da Catalunha, evidenciando-se a variabilidade temporal e justificando-se a necessidade de se efectuar o estudo da variabilidade geográfica. Utilizam-se três critérios para a análise das classificações consideradas: a concordância definição-classificação, o número e tipo de grupos das classificações e os tipos de resíduos por grupos. Identificam-se os denominadores comuns às classificações analisadas, assim como as suas principais diferenças. Conclui-se que a definição de RH adoptada por cada país condiciona o tipo de classificação de RH nesse mesmo país. Verifica-se ainda que a inexistência de critérios claros de avaliação da contaminação pode dificultar a tarefa da triagem dos RH por parte dos profissionais de saúde.

Produção de resíduos hospitalares na prestação de cuidados domiciliários

RESUMO - Os resíduos hospitalares (RH) perigosos — Grupos III e IV — produzidos na prestação de cuidados domiciliários (CD), dada a sua composição, infecciosidade, toxicidade, mobilidade e persistência, constituem um perigo relevante. A exposição a estes resíduos traduz-se num risco importante para os profissionais de saúde, doentes e seus familiares. Dado que em muitas situações estes resíduos ficam no domicílio dos doentes, sendo posteriormente depositados nos contentores camarários, o risco é alargado ao público em geral, aos catadores e aos profissionais de recolha de resíduos sólidos urbanos dos municípios. Através de um estudo observacional, transversal, com componente analítica, da produção de RH pretende-se determinar e caracterizar os quantitativos dos Grupos III e IV produzidos na prestação de CD em 2003 no concelho da Amadora, identificando também o seu destino final. Utiliza- se uma amostra aleatória do universo de doentes submetidos a tratamento domiciliário em 2003 e efectua-se a análise da associação estatística das variáveis peso do Grupo III e peso do Grupo IV com as variáveis relativas às características do doente (sexo, idade e doença), do tratamento (duração e periodicidade) e sazonais (época do ano). A média do peso produzido dos RH por acto prestado é de 213,1 g para o Grupo III e de 3,8 g para o Grupo IV. Estima--se uma produção de RH do Grupo III na prestação de CD, em 2003, no concelho da Amadora entre 8,8 e 11,4 t e para os RH do Grupo IV um valor de 10,2 kg. Verifica-se que, por acto prestado, a produção média de resíduos do Grupo III é maior nos doentes mais idosos, nas úlceras varicosas, no pé diabético, na escara de pressão, nas situações de maior duração do tratamento e nos doentes submetidos a três tratamentos por semana. Também por acto prestado, a produção média de RH do Grupo IV é maior nos doentes mais novos, na patologia osteo-articular, na infecção, no acidente, no pós-operatório, nas situações de menor duração do tratamento e nos doentes submetidos a seis tratamentos por semana (o que está relacionado com as patologias em causa). As produções médias, por acto prestado, de ambos os grupos não apresentam relação com as variáveis idade e época do ano. Todos os RH produzidos nos actos prestados em CD, em 2003, no concelho da Amadora foram depositados nos contentores municipais. Recomendam-se acções de formação e de informação dirigidas aos profissionais de saúde e ao público em geral, a criação de condições para que os RH produzidos nos CD sejam transportados, em condições adequadas, para os centros de saúde e uma articulação entre os órgãos de gestão dos centros de saúde, a autarquia, os operadores de gestão de RH e os serviços de saúde pública no sentido de serem encontradas soluções apropriadas e inovadoras relativamente à gestão dos RH produzidos na prestação de CD.

Electrokinetic treatment of environmental matrices. Contaminants removal and phosphorus recovery

There is a need to develop viable techniques for removal and recovery organic and inorganic compounds from environmental matrices, due to their ecotoxicity, regulatory obligations or potential supplies as secondary materials. In this dissertation, electro –removal and –recovery techniques were applied to five different contaminated environmental matrices aiming phosphorus (P) recovery and/or contaminants removal. In a first phase, the electrokinetic process (EK) was carried out in soils for (i) metalloids and (ii) organic contaminants (OCs) removal. In the case of As and Sb mine contaminated soil, the EK process was additionally coupled with phytotechnologies. In a second phase, the electrodialytic process (ED) was applied to wastes aiming P recovery and simultaneous removal of (iii) toxins from membrane concentrate, (iv) heavy metals from sewage sludge ash (SSA), and (v) OCs from sewage sludge (SS). EK enhanced phytoremediation showed to be viable for the remediation of soils contaminated with metalloids, as although remediation was low, it combines advantages of both technologies while allowing site management. EK also proved to be an effective remediation technology for the removal and degradation of emerging OCs from two types of soil. Aiming P recovery and contaminants removal, different ED cell set-ups were tested. For the membrane concentrates, the best P recovery was achieved in a three compartment (3c) cell, but the highest toxin removal was obtained in a two compartment (2c) cell, placing the matrix in the cathode end. In the case of SSA the best approach for simultaneous P recovery and heavy metals removal was to use a 2c-cell placing the matrix in the anode end. However, for simultaneous P recovery and OCs removal, SS should be placed in the cathode end, in a 2c-cell. Overall, the data support that the selection of the cell design should be done case-by-case.

Water quality and fish populations of the Welland River, Ontario /

The water quality and fish populations of the Welland River were observed to decline with distance downstream. This coincided with increased agricultural , domestic and industrial waste loadings. The river upstream of the City of Welland received considerable loadings from agricultural sources. Centrarchids, sciaenids, ictalurids, cyprinids and esocids characterized this upper section of the river. Most of these species were tolerant of low dissolved oxygen concentrations and the high turbidity which prevailed there . The river near Port Robinson receives many industrial and domestic wastes as evidenced by the water quality data. The fish in this section were less abundant and the observed population was comprised almost solely of cyprinids. Further downstream, near Montrose, the Welland River received shock loads of chemical wastes that exceeded a specific conductance of ISiOOO ;umhos/cm. Few fish were captured at this site and those that were captured were considered to be transients. A review of the literature revealed that none of the common indices of water quality in use today could adequately predict the observed distributions. In addition to the above, the long-term trend (l3 yrs) of water quality of the lower Welland River revealed a gradual improvement. The major factor thought to be responsible for this improvement was the operation of the Welland Sewage Treatment Plant. The construction of the New Welland Ship Canal coincided with large fluctuations of the total solids and other parameters downstream. These conditions prevailed for a maximum of three years (1972- 1975)' Furthermore, spawning times and temperatures, geographic distributions, length-weight regressions and many other descriptive aspects of the ecology of some 26 species/ taxa of fish were obtained. Several of these species are rare or new to southern Ontario.

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

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

Electronic waste governance: sustainable solutions to a global dilemma

Le présent mémoire a pour objet les formes, les caractéristiques et les défis de la gouvernance des déchets électroniques. L’auteure explore les impactes socioéconomiques et environnementales de divers types d’instruments conçus pour mitiger les risques à la santé humaine et à l’environnement que présentent les produits électroniques en fin de vie, notamment: les traités multilatéraux qui visent à prohiber le transfert des déchets hasardeux au pays en développement, les législations régionales, nationales et provinciales mettant en vigueur des systèmes de recyclage obligatoire des déchets électroniques, ainsi que d’autres initiatives, publics et privées, basées sur le principe de la responsabilité élargie des producteurs (REP). L’objectif de ce travail est de comprendre comment les acteurs impliqués dans le commerce de l’équipement électronique peuvent modeler les systèmes de production, d’usage et du traitement fin de vie des technologies contemporaines pour que ces dernières puissent continuer à faire élever les standards de vie et à avancer le développement des communautés humaines, en respectant simultanément le principe international de l’équité globale, l’environnement naturel et la qualité de vie des générations futures.

Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.

Design, synthèse et application en catalyse verte d’un ligand alkyl imidazolium β-cyclodextrine

Le 21e siècle est le berceau d’une conscientisation grandissante sur les impacts environnementaux des processus utilisés pour synthétiser des molécules cibles. Parmi les avancées qui ont marqué ces dernières décennies, il est également question de réduction de déchets, de conservation de l’énergie et de durabilité des innovations. Ces aspects constituent les lignes directrices de la chimie verte. De ce fait, il est impératif de développer des stratégies de synthèse dont les impacts environnementaux sont bénins. Dans ce mémoire nous présentons la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés catalytiques en milieu aqueux d’un ligand composé d’une unité -cyclodextrine native, d’une unité imidazolium et d’une chaine alkyle à 12 carbones. Ce ligand hybride s’auto-assemble dans l’eau sous forme de micelles, permettant ainsi d’effectuer en sa présence des couplages de Suzuki-Miyaura dans l’eau, avec de bons rendements. La fonctionnalisation de la face primaire de la -cyclodextrine par un noyau alkyl-imidazolium, précurseur de ligand de type carbène N-hétérocyclique, a permis le développement d’un système catalytique vert et hautement recyclable. Dans un deuxième temps, nous présentons l’utilisation du même ligand hybride dans des couplages de Heck dans l’eau, démontrant ainsi la versatilité du ligand.

Utilization of biodiesel-derived glycerol or xylose for increased growth and lipid production by indigenous microalgae

The use of industrial wastes rich in mineral nutrients and carbon sources to increase the final microalgal biomass and lipid yield at a low cost is an important strategy to make algal biofuel technology viable. Using strains from the microalgal collection of the Université de Montréal, this report shows for the first time that microalgal strains can be grown on xylose, the major carbon source found in wastewater streams from pulp and paper industries, with an increase in growth rate of 2.8 fold in comparison to photoautotrophic growth, reaching up to µ=1.1/day. On glycerol, growth rates reached as high as µ=1.52/day. Lipid productivity increased up to 370% on glycerol and 180% on xylose for the strain LB1H10, showing the suitability of this strain for further development for biofuels production through mixotrophic cultivation.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Activation chimiosélective et dérivatisation d’amides et d'alcools : synthèse de plusieurs groupements fonctionnels et hétérocycles

Un objectif majeur en chimie organique est le développement de méthodes de synthèses générales, simples et peu coûteuses permettant la modification efficace des ressources naturelles en différents produits d’intérêt public. En particulier, la recherche de méthodes chimiosélectives et de méthodes dites « vertes » représente un intérêt croissant pour le secteur industriel (dont le domaine pharmaceutique). En fait, l’application en synthèse sur grande échelle de procédés catalytiques, sélectifs et utilisant des conditions douces permet de réduire le volume de déchets et la demande énergétique, minimisant ainsi les coûts de production et les effets néfastes sur l’environnement. Dans ce contexte, le groupe de recherche du Professeur André B. Charette de l’Université de Montréal s’intéresse au développement de méthodes générales et chimiosélectives permettant la transformation de fonctionnalités aisément accessibles tels que les amides et les alcools. La fonction amide, aussi appelée liaison peptidique dans les protéines, est présente dans diverses familles de molécules naturelles et est couramment employée comme intermédiaire synthétique dans la synthèse de produits d’intérêt pharmaceutique. Le groupement alcool est, quant à lui, l’une des fonctionnalités les plus abondantes dans la nature, intrinsèquement et largement utilisé en chimie de synthèse. Dans le cadre de cette thèse, des transformations simples, générales et chimiosélectives ont été réalisées sur des amides secondaires et tertiaires, ainsi que sur des alcools primaires et secondaires. La première partie de ce manuscrit se penche sur l’activation de la fonction amide par l’anhydride triflique (Tf2O), suivie de l’addition nucléophile de différents réactifs permettant ainsi la formation de plusieurs groupements fonctionnels versatiles, parfois indispensables, couramment employés en chimie organique tels que les aldimines, les aldéhydes, les amines, les cétones, les cétimines et des dérivés de la fonction amidrazone. Cette dernière fonctionnalité a également été utilisée dans des réactions successives vers la formation d’hétérocycles. De ce fait, des 1,2,4-triazoles ont été formés suite à une cyclodéshydratation initiée en conditions thermiques et faiblement acides. D’autre part, des 3-aminoindazoles ont été synthétisés par une fonctionnalisation C–H catalysée par un sel de palladium (II). La deuxième partie de la thèse est consacrée à la réaction de Mitsunobu en conditions acides, permettant ainsi la substitution nucléophile d’alcools en présence de carbamines (ou amines ne possédant pas de groupement électro-attracteurs). Ce type de nucléophile, basique lorsqu’utilisé comme base libre (avec un pKa se situant au-dessus de 13 dans le DMSO), n’est intrinsèquement pas compatible dans les conditions standards de la réaction de Mitsunobu. Contrairement aux conditions usuelles multi-étapes employant la réaction de Mitsunobu, la méthode développée au cours de cette étude permet la formation d’amines substituées en une seule étape et ne requiert pas l’emploi de groupements protecteurs.