Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.

Natural air conditioning, traditions and trends : high performance of sustainable indoor ventilation in a hot and dry climate

De nos jours, l'utilisation accrue de combustibles à base de fossiles et l'électricité met en péril l'environnement naturel à cause des niveaux élevés de pollution. Il est donc plausible de prévoir des économies d'énergie significatives grâce à la climatisation dite «naturelle»». En accord avec les objectifs acceptés à l'échelle internationale d'une architecture «verte» et durable, l'utilisation de cours intérieures associées aux capteurs de vent, aux murs-Trombe et à d'autres systèmes de climatisation naturelle (aussi bien traditionnels que nouveaux), paraît prometteuse. Ce mémoire propose une analyse de nouvelles approches à la climatisation naturelle et à la production d'air frais avec une consommation minimale d'énergie, eu égard aux traditions et aux tendances, en particulier dans les zones climatiques chaudes et sèches comme l'Iran. Dans ce contexte, regarder l'architecture de l'Islam et la discipline du Qur'an paraissent offrir un guide pour comprendre l'approche musulmane aux processus de décision en design. Nous regardons donc les traditions et les tendances en ce qui concerne la climatisation naturelle à travers l'élément le plus important du contexte islamique, à savoir le Qur'an. C'est pourquoi, à l'intérieur du thème de la tradition, nous avons pris en compte quelques considérations concernant l'influence de l'Islam, et en particulier le respect de la nature associé à un équilibre entre l'harmonie et l'individualité. Ce sont autant de facteurs qui influencent la prise de décisions visant à résoudre des problèmes scientifiques majeurs selon la philosophie et les méthodes islamiques ; ils nous permettent de faire quelques recommandations. La description des principes sous-jacents aux capteurs à vent et des antécédents trouvés dans la nature tels que les colonies de termites, est présentée également. Sous la rubrique tendances, nous avons introduit l'utilisation de matériaux et de principes de design nouveaux. Regarder simultanément ces matériaux nouveaux et l'analogie des colonies de termites suggère de bonnes approches à la conception d'abris pour les victimes de tremblements de terre dans les régions sisimques. Bam, une ville iranienne, peut être considérée comme un exemple spécifique illustrant où les principes exposés dans ce mémoire peuvent s'appliquer le plus adéquatement.

Étude des propriétés atmosphériques et magnétiques des étoiles naines blanches froides riches en hydrogène.

Ce mémoire présente une analyse photométrique et spectroscopique d'un échantillon de 16 naines blanches magnétiques froides riches en hydrogène. L'objectif principal de cette étude est de caractériser leurs propriétés atmosphériques et magnétiques afin d'obtenir une vision d'ensemble représentative de cette population d'étoiles. Pour ce faire, il a fallu réunir le plus d'information possible sur toutes les candidates sous la forme de spectres visibles à haut signal-sur-bruit et de données photométriques. Il a également été nécessaire de mettre à jour les modèles d'atmosphère de Bergeron et al. (1992) à l'aide des avancées réalisées par Tremblay & Bergeron (2009). Les paramètres atmosphériques de chacune des étoiles ont ensuite été déterminés en modélisant les distributions d'énergie photométriques observées tandis que la topologie et l'intensité du champ magnétique ont été obtenues en comparant des spectres synthétiques magnétiques au profil d'absorption Zeeman autour de H-alpha. Qui plus est, un processus de déconvolution combinant ces deux approches a aussi été créé afin de traiter adéquatement les systèmes binaires présents dans l'échantillon. Les résultats de ces analyses sont ensuite exposés, incluant une discussion sur la possible corrélation entre les paramètres atmosphériques et les propriétés magnétiques de ces naines blanches. Finalement, cette étude démontre que les données spectroscopiques de la majorité de ces étoiles peuvent uniquement être reproduites si ces dernières se trouvent dans un système binaire composé d'une seconde naine blanche. De plus, les résultats suggèrent que le champ magnétique de ces naines blanches froides ne peut pas être d'origine fossile et doit être généré par un mécanisme physique devant encore être identifié.

The hotelling model with multiple demands

The purpose of this chapter is to provide an elementary introduction to the non-renewable resource model with multiple demand curves. The theoretical literature following Hotelling (1931) assumed that all energy needs are satisfied by one type of resource (e.g. ‘oil’), extractible at different per-unit costs. This formulation implicitly assumes that all users are the same distance from each resource pool, that all users are subject to the same regulations, and that motorist users can switch as easily from liquid fossil fuels to coal as electric utilities can. These assumptions imply, as Herfindahl (1967) showed, that in competitive equilibrium all users will exhaust a lower cost resource completely before beginning to extract a higher cost resource: simultaneous extraction of different grades of oil or of oil and coal should never occur. In trying to apply the single-demand curve model during the last twenty years, several teams of authors have independently found a need to generalize it to account for users differing in their (1) location, (2) regulatory environment, or (3) resource needs. Each research team found that Herfindahl's strong, unrealistic conclusion disappears in the generalized model; in its place, a weaker Herfindahl result emerges. Since each research team focussed on a different application, however, it has not always been clear that everyone has been describing the same generalized model. Our goal is to integrate the findings of these teams and to exposit the generalized model in a form which is easily accessible.

Développement du squelette du crinoïde Florometra serratissima et évolution des protéines de la matrice de spicules chez les ambulacraires

Les crinoïdes sont bien connus pour leurs fossiles, mais la biominéralisation de leurs stades larvaires n’est que peu documentée. La première partie du projet présente le développement des ossicules des trois stades larvaires du comatule Florometra serratissima : doliolaria, cystidienne et pentacrinoïde. Les ossicules du crinoïde démontraient de la plasticité phénotypique et de la désynchronisation dans leur développement. Les crinoïdes étant la classe basale des échinodermes modernes, ceci porte à croire que ces traits étaient aussi caractéristiques des échinodermes ancestraux et auraient joué un rôle dans la radiation hâtive et la grande disparité des échinodermes. Pour notre deuxième étude, comme les patrons de morphologie des crinoïdes et des autres échinodermes sont nombreux et sont régulés par des protéines spécifiques, nous avons vérifié la présence de quatre familles de protéines de la matrice de spicules (SMAP) connues chez les oursins dans les transcriptomes des autres échinodermes et d’autres deutérostomes. La famille des spicules matrix (SM) et l’anhydrase carbonique CARA7LA étaient absentes chez tout autre organisme que les oursins, les protéines spécifiques au mésenchyme (MSP130) étaient présentes en nombres différents chez tous les ambulacraires suggérant de multiples duplications et pertes, et les métalloprotéases étaient nombreuses chez chacun. Le développement des ossicules chez les échinodermes est un sujet qui a gagné en popularité au cours des dernières décennies, spécialement chez les oursins, et inclure les crinoïdes dans ce type d’étude permettra de nous renseigner sur l’origine et l’évolution des échinodermes modernes.

Le toit comme outil de régulation environnementale : le cas montréalais.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre du programme interdisciplinaire de recherche Ignis Mutat Res et vise à éclairer l’univers de l’architecture sur la capacité des toits à amener des solutions efficaces aux problématiques environnementales dans un contexte urbain dense et à forte consommation d'énergie. La volonté de réduire l’empreinte écologique des villes est aujourd’hui bien présente dans le monde de la recherche architecturale et urbaine, ayant ainsi fait preuve de son importance. Pourtant, la réduction de l’empreinte écologique des villes serait une approche globale difficile à quantifier économiquement. Le manque de méthodologie standardisée fait en sorte que les travaux sur le sujet empruntent des démarches qui ne dépassent pas l’étape exploratoire. Dans ce contexte, le mémoire porte sur l’élaboration d’un dispositif numérique d’évaluation des potentialités des toits horizontaux comme un outil d’aide à la décision pour les interventions urbaines visant à réduire l’empreinte écologique des villes, en utilisant le cas de Montréal. Ce type de toit est abordé comme un territoire d’investigation en contribution aux préoccupations reliées à la gestion de l’eau et à l’atténuation des îlots de chaleur. Plus précisément, cette recherche porte sur trois secteurs de l'île de Montréal. Ces échantillons correspondent à deux types de formes urbaines (résidentielle versus commerciale ou industrielle) et sont décortiqués dans le but d’identifier les déséquilibres entre les espaces naturels, faisant référence aux espaces verts (jardins, parcs et canopées) et les étendues minérales occasionnées par l'urbanisation. Ces rapports exprimés en superficies démontrent que l’étendue des toits est assez considérable pour compenser le manque d’espaces naturels en ville. La végétalisation des toits à l’échelle d’un secteur pourrait donc atténuer considérablement les problèmes environnementaux liés aux îlots de chaleur et à la gestion du ruissellement des eaux de pluie. La stratégie consistant à explorer l'hypothèse des 50 % de naturel versus 50 % de minéral pourrait contribuer grandement à l’autonomisation des villes et à la diminution de leurs dépendances vis-à-vis des ressources fossiles.

Studies on lipid production of microalgae under mixotrophic growth, utilizing glycerol as a carbon source, combined with nitrogen starvation

Rampant increases in oil prices and detrimental effects of fossil fuels on the environment have been the main impetus for the development of environmentally friendly and sustainable energy sources. Amongst the many possibilities, microalgae have been proposed as a new alternative energy source to fossil fuels, as their growth is both sustainable and ecologically safe. By definition, microalgae are unicellular photosynthetic microorganisms containing chlorophyll a. These organisms are capable of producing large quantities of oils, surpassing that of traditional oil-seed crops, which can be transformed, through chemical processes, into biofuels such as biodiesel or bio-gasoline. Thus, recent research has gone into discovering high lipid producing algal strains, optimising growth media for increased lipid production and developing metabolic engineering to make microalgae a source of biofuel that is competitive to more traditional sources of biofuel and even to fossil fuel. In this context, the research reported here focused on using a mixotrophic growth mode as a way to increase lipid production for certain strains of microalgae. In addition, nitrogen starvation combined with mixotrophy was studied to analyse its effects on lipid production. Mixotrophy is the parallel usage of two trophic modes, in our case photoautotrophy and heterotrophy. Consequently, 12 algal strains were screened for mixotrophic growth, using glycerol as a carbon source. Glycerol is a waste product of the current biodiesel industry; it is a cheap and abundant carbon source present in many metabolic pathways. From this initial screening, several strains were chosen for subsequent experiments involving nitrogen starvation. Nitrogen starvation has been shown to induce lipid accumulation. The results obtained show that a mixotrophic growth mode, using glycerol as a carbon source, enhances lipid production for certain strains. Moreover, lipid enhancement was shown for nitrogen starvation combined with mixotrophic growth mode. This was dependant on time spent under nitrogen starvation and on initial concentrations of the nitrogen source.

Preparation and characterisation of certain II-VI, I-III-VI2 semiconductor thin films and transparent conducting oxides

There is an increasing demand for renewable energies due to the limited availability of fossil and nuclear fuels and due to growing environmental problems. Photovoltaic (PV) energy conversion has the potential to contribute significantly to the electrical energy generation in the future. Currently, the cost for photovoltaic systems is one of the main obstacles preventing production and application on a large scale. The photovoltaic research is now focused on the development of materials that will allow mass production without compromising on the conversion efficiencies. Among important selection criteria of PV material and in particular for thin films, are a suitable band gap, high absorption coefficient and reproducible deposition processes capable of large-volume and low cost production. The chalcopyrite semiconductor thin films such as Copper indium selenide and Copper indium sulphide are the materials that are being intensively investigated for lowering the cost of solar cells. Conversion efficiencies of 19 % have been reported for laboratory scale solar cell based on CuInSe2 and its alloys. The main objective of this thesis work is to optimise the growth conditions of materials suitable for the fabrication of solar cell, employing cost effective techniques. A typical heterojunction thin film solar cell consists of an absorber layer, buffer layer and transparent conducting contacts. The most appropriate techniques have been used for depositing these different layers, viz; chemical bath deposition for the window layer, flash evaporation and two-stage process for the absorber layer, and RF magnetron sputtering for the transparent conducting layer. Low cost experimental setups were fabricated for selenisation and sulphurisation experiments, and the magnetron gun for the RF sputtering was indigenously fabricated. The films thus grown were characterised using different tools. A powder X-ray diffractometer was used to analyse the crystalline nature of the films. The energy dispersive X-ray analysis (EDX) and scanning electron microscopy i (SEM) were used for evaluating the composition and morphology of the films. Optical properties were investigated using the UV-Vis-NIR spectrophotometer by recording the transmission/absorption spectra. The electrical properties were studied using the two probe and four probe electrical measurements. Nature of conductivity of the films was determined by thermoprobe and thermopower measurements. The deposition conditions and the process parameters were optimised based on these characterisations.

INDIAN AND ANTARCTIC BRYOZOANS - TAXONOMY AND OBSERVATIONS ON TOXICOLOGY

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

Studies on Energy Requirement and Conservation in Selected Fish Harvesting Systems

Present work deals with the studies on energy requirement and convervation in selected fish harvesting systems.Modem fishing is one of the most energy intensive methods of food production. Fossil fuels used for motorised and mechanised fishing are nonrenewable and limited. Most of the environmental problems that confront mankind today are connected to the use of energy in one way or another. Code of Conduct for Responsible Fisheries (FAO, 1995) highlights the need for efficient use of energy in the fisheries sector. Information on energy requirement in different fish harvesting systems, based on the principles of energy analysis, is entirely lacking in respect of Indian fisheries. Such an analysis will provide an unbiased decision making support for maximising the yield per unit of non-renewable energy use, from different fishery resource systems, by rational deployment of harvesting systems. In the present study, results of investigations conducted during 1997-2000 on energy requirement in selected fish harvesting systems and approaches to energy conservation in fishing, are presented along with a detailed description of the fish harvesting systems and their operation. The content of the thesis is organised into 8 Chapters.

Systematic stratigraphic study of cenozoic sediments of Kerala with Special reference to warkalli and quilon formations

Quaternary stratigraphy of the Kerala coast and the genetic aspects of the sediments are discussed. The age of limeshells, and peaty sediments determined by radio carbon dating have been used for reconstruction of sea level changes. Evolution of red sands occurring in some parts of the coastal tract of Kerala is also discussed, based on textural parameters and quartz grain morphology.

Assessment of Energy Conservation in Indian Cement Industry and Forecasting of Co2 Emissions

Cement industry ranks 2nd in energy consumption among the industries in India. It is one of the major emitter of CO2, due to combustion of fossil fuel and calcination process. As the huge amount of CO2 emissions cause severe environment problems, the efficient and effective utilization of energy is a major concern in Indian cement industry. The main objective of the research work is to assess the energy cosumption and energy conservation of the Indian cement industry and to predict future trends in cement production and reduction of CO2 emissions. In order to achieve this objective, a detailed energy and exergy analysis of a typical cement plant in Kerala was carried out. The data on fuel usage, electricity consumption, amount of clinker and cement production were also collected from a few selected cement industries in India for the period 2001 - 2010 and the CO2 emissions were estimated. A complete decomposition method was used for the analysis of change in CO2 emissions during the period 2001 - 2010 by categorising the cement industries according to the specific thermal energy consumption. A basic forecasting model for the cement production trend was developed by using the system dynamic approach and the model was validated with the data collected from the selected cement industries. The cement production and CO2 emissions from the industries were also predicted with the base year as 2010. The sensitivity analysis of the forecasting model was conducted and found satisfactory. The model was then modified for the total cement production in India to predict the cement production and CO2 emissions for the next 21 years under three different scenarios. The parmeters that influence CO2 emissions like population and GDP growth rate, demand of cement and its production, clinker consumption and energy utilization are incorporated in these scenarios. The existing growth rate of the population and cement production in the year 2010 were used in the baseline scenario. In the scenario-1 (S1) the growth rate of population was assumed to be gradually decreasing and finally reach zero by the year 2030, while in scenario-2 (S2) a faster decline in the growth rate was assumed such that zero growth rate is achieved in the year 2020. The mitigation strategiesfor the reduction of CO2 emissions from the cement production were identified and analyzed in the energy management scenarioThe energy and exergy analysis of the raw mill of the cement plant revealed that the exergy utilization was worse than energy utilization. The energy analysis of the kiln system showed that around 38% of heat energy is wasted through exhaust gases of the preheater and cooler of the kiln sysetm. This could be recovered by the waste heat recovery system. A secondary insulation shell was also recommended for the kiln in the plant in order to prevent heat loss and enhance the efficiency of the plant. The decomposition analysis of the change in CO2 emissions during 2001- 2010 showed that the activity effect was the main factor for CO2 emissions for the cement industries since it is directly dependent on economic growth of the country. The forecasting model showed that 15.22% and 29.44% of CO2 emissions reduction can be achieved by the year 2030 in scenario- (S1) and scenario-2 (S2) respectively. In analysing the energy management scenario, it was assumed that 25% of electrical energy supply to the cement plants is replaced by renewable energy. The analysis revealed that the recovery of waste heat and the use of renewable energy could lead to decline in CO2 emissions 7.1% for baseline scenario, 10.9 % in scenario-1 (S1) and 11.16% in scenario-2 (S2) in 2030. The combined scenario considering population stabilization by the year 2020, 25% of contribution from renewable energy sources of the cement industry and 38% thermal energy from the waste heat streams shows that CO2 emissions from Indian cement industry could be reduced by nearly 37% in the year 2030. This would reduce a substantial level of greenhouse gas load to the environment. The cement industry will remain one of the critical sectors for India to meet its CO2 emissions reduction target. India’s cement production will continue to grow in the near future due to its GDP growth. The control of population, improvement in plant efficiency and use of renewable energy are the important options for the mitigation of CO2 emissions from Indian cement industries

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Composition and stability of organic matter fractions in soils under different land use regimes

Soil organic matter (SOM) vitally impacts all soil functions and plays a key role in the global carbon (C) cycle. More than 70% of the terrestric C stocks that participate in the active C cycle are stored in the soil. Therefore, quantitative knowledge of the rates of C incorporation into SOM fractions of different residence time is crucial to understand and predict the sequestration and stabilization of soil organic carbon (SOC). Consequently, there is a need of fractionation procedures that are capable of isolating functionally SOM fractions, i.e. fractions that are defined by their stability. The literature generally refers to three main mechanisms of SOM stabilization: protection of SOM from decomposition by (i) its structural composition, i.e. recalcitrance, (ii) spatial inaccessibility and/or (iii) interaction with soil minerals and metal ions. One of the difficulties in developing fractionation procedures for the isolation of functional SOM fractions is the marked heterogeneity of the soil environment with its various stabilization mechanisms – often several mechanisms operating simultaneously – in soils and soil horizons of different texture and mineralogy. The overall objective of the present thesis was to evaluate present fractionation techniques and to get a better understanding of the factors of SOM sequestration and stabilization. The first part of this study is attended to the structural composition of SOM. Using 13C cross-polarization magic-angle spinning (CPMAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, (i) the effect of land use on SOM composition was investigated and (ii) examined whether SOM composition contributes to the different stability of SOM in density and aggregate fractions. The second part of the present work deals with the mineral-associated SOM fraction. The aim was (iii) to evaluate the suitability of chemical fractionation procedures used in the literature for the isolation of stable SOM pools (stepwise hydrolysis, treatments using oxidizing agents like Na2S2O8, H2O2, and NaOCl as well as demineralization of the residue obtained by the NaOCl treatment using HF (NaOCl+HF)) by pool sizes, 13C and 14C data. Further, (iv) the isolated SOM fractions were compared to the inert organic matter (IOM) pool obtained for the investigated soils using the Rothamsted Carbon Model and isotope data in order to see whether the tested chemical fractionation methods produce SOM fractions capable to represent this pool. Besides chemical fractionation, (v) the suitability of thermal oxidation at different temperatures for obtaining stable SOC pools was evaluated. Finally, (vi) the short-term aggregate dynamics and the factors that impact macroaggregate formation and C stabilization were investigated by means of an incubation study using treatments with and without application of 15N labeled maize straw of different degradability (leaves and coarse roots). All treatments were conducted with and without the addition of fungicide. Two study sites with different soil properties and land managements were chosen for these investigations. The first one, located at Rotthalmünster, is a Stagnic Luvisol (silty loam) under different land use regimes. The Ah horizons of a spruce forest and continuous grassland and the Ap and E horizons of two plots with arable crops (continuous maize and wheat cropping) were examined. The soil of the second study site, located at Halle, is a Haplic Phaeozem (loamy sand) where the Ap horizons of two plots with arable crops (continuous maize and rye cropping) were investigated. Both study sites had a C3-/C4-vegetational change on the maize plot for the purpose of tracing the incorporation of the younger, maize-derived C into different SOM fractions and the calculation of apparent C turnover times of these. The Halle site is located near a train station and industrial areas, which caused a contamination with high amounts of fossil C. The investigation of aggregate and density fractions by 13C CPMAS NMR spectroscopy revealed that density fractionation isolated SOM fractions of different composition. The consumption of a considerable part (10–20%) of the easily available O-alkyl-C and the selective preservation of the more recalcitrant alkyl-C when passing from litter to the different particulate organic matter (POM) fractions suggest that density fractionation was able to isolate SOM fractions with different degrees of decomposition. The spectra of the aggregate fractions resembled those of the mineral-associated SOM fraction obtained by density fractionation and no considerable differences were observed between aggregate size classes. Comparison of plant litter, density and aggregate size fractions from soil under different land use showed that the type of land use markedly influenced the composition of SOM. While SOM of the acid forest soil was characterized by a large content (> 50%) of POM, which contained high amounts of spruce-litter derived alkyl-C, the organic matter in the biologically more active grassland and arable soils was dominated by mineral-associated SOM (> 95%). This SOM fraction comprised greater proportions of aryl- and carbonyl-C and is considered to contain a higher amount of microbially-derived organic substances. Land use can alter both, structure and stability of SOM fractions. All applied chemical treatments induced considerable SOC losses (> 70–95% of mineral-associated SOM) in the investigated soils. The proportion of residual C after chemical fractionation was largest in the arable Ap and E horizons and increased with decreasing C content in the initial SOC after stepwise hydrolysis as well as after the oxidative treatments with H2O2 and Na2S2O8. This can be expected for a functional stable pool of SOM, because it is assumed that the more easily available part of SOC is consumed first if C inputs decrease. All chemical treatments led to a preferential loss of the younger, maize-derived SOC, but this was most pronounced after the treatments with Na2S2O8 and H2O2. After all chemical fractionations, the mean 14C ages of SOC were higher than in the mineral-associated SOM fraction for both study sites and increased in the order: NaOCl < NaOCl+HF ≤ stepwise hydrolysis << H2O2 ≈ Na2S2O8. The results suggest that all treatments were capable of isolating a more stable SOM fraction, but the treatments with H2O2 and Na2S2O8 were the most efficient ones. However, none of the chemical fractionation methods was able to fit the IOM pool calculated using the Rothamsted Carbon Model and isotope data. In the evaluation of thermal oxidation for obtaining stable C fractions, SOC losses increased with temperature from 24–48% (200°C) to 100% (500°C). In the Halle maize Ap horizon, losses of the young, maize-derived C were considerably higher than losses of the older C3-derived C, leading to an increase in the apparent C turnover time from 220 years in mineral-associated SOC to 1158 years after thermal oxidation at 300°C. Most likely, the preferential loss of maize-derived C in the Halle soil was caused by the presence of the high amounts of fossil C mentioned above, which make up a relatively large thermally stable C3-C pool in this soil. This agrees with lower overall SOC losses for the Halle Ap horizon compared to the Rotthalmünster Ap horizon. In the Rotthalmünster soil only slightly more maize-derived than C3-derived SOC was removed by thermal oxidation. Apparent C turnover times increased slightly from 58 years in mineral-associated SOC to 77 years after thermal oxidation at 300°C in the Rotthalmünster Ap and from 151 to 247 years in the Rotthalmünster E horizon. This led to the conclusion that thermal oxidation of SOM was not capable of isolating SOM fractions of considerably higher stability. The incubation experiment showed that macroaggregates develop rapidly after the addition of easily available plant residues. Within the first four weeks of incubation, the maximum aggregation was reached in all treatments without addition of fungicide. The formation of water-stable macroaggregates was related to the size of the microbial biomass pool and its activity. Furthermore, fungi were found to be crucial for the development of soil macroaggregates as the formation of water-stable macroaggregates was significantly delayed in the fungicide treated soils. The C concentration in the obtained aggregate fractions decreased with decreasing aggregate size class, which is in line with the aggregate hierarchy postulated by several authors for soils with SOM as the major binding agent. Macroaggregation involved incorporation of large amounts maize-derived organic matter, but macroaggregates did not play the most important role in the stabilization of maize-derived SOM, because of their relatively low amount (less than 10% of the soil mass). Furthermore, the maize-derived organic matter was quickly incorporated into all aggregate size classes. The microaggregate fraction stored the largest quantities of maize-derived C and N – up to 70% of the residual maize-C and -N were stored in this fraction.